Kas yra aukšto dažnio filtras? Grandinės schema, charakteristikos ir programos

Kas yra aukšto dažnio filtras? Grandinės schema, charakteristikos ir programos

Buvo era, kai skambinant per atstumą, reikėjo prikišti burną labai arti siųstuvo, kalbėti labai lėtai ir labai garsiai, kad kitame gale esantis asmuo aiškiai išgirstų pranešimą. Šiandien mes netgi galime atlikti vaizdo skambučius visame pasaulyje, naudodami aukštos kokybės rezoliucijas. Tokio milžiniško technologijų vystymosi paslaptis slypi Elektros filtras teorija ir Perdavimo linijos teorija . Elektriniai filtrai yra grandinės, praeinančios tik pasirinktą dažnių juostą, tuo pačiu slopindamos kitus nepageidaujamus dažnius. Vienas iš tokių filtrų yra Aukšto dažnio filtras .



Kas yra aukšto dažnio filtras?

Aukšto dažnio filtro apibrėžimas yra filtras, kuris praleidžia tik tuos signalus, kurių dažniai yra didesni už ribinius dažnius, tokiu būdu silpnindami žemesnių dažnių signalus. Ribinio dažnio vertė priklauso nuo filtro konstrukcijos.


Aukšto dažnio filtro grandinė

Pagrindinis aukšto dažnio filtras sukurtas nuosekliai sujungiant kondensatorius ir rezistorius . Nors įvesties signalas yra taikomas kondensatorius , išvestis brėžiama skersai rezistorius .





Aukšto dažnio filtro grandinė

Aukšto dažnio filtro grandinė

Šiame grandinės išdėstyme kondensatorius pasižymi dideliu reaktyvumu žemesniais dažniais, todėl jis veikia kaip atvira žemo dažnio įvesties signalų grandinė, kol pasiekiamas ribinis dažnis „fc“. Filtras silpnina visus signalus žemiau ribinio dažnio lygio. Dažniais, viršijančiais išjungto dažnio lygį, kondensatoriaus reaktyvumas tampa žemas ir jis veikia kaip trumpasis jungimas į šiuos dažnius, tokiu būdu leidžiant jiems pereiti tiesiai į išėjimą.



Pasyvus RC aukšto dažnio filtras

Aukščiau pateiktas aukšto dažnio filtras taip pat žinomas kaip Pasyvus RC aukšto dažnio filtras nes grandinė sukurta naudojant tik pasyvūs elementai . Filtro veikimui nereikia naudoti išorinės galios. Čia kondensatorius yra reaktyvusis elementas, o išėjimas ištraukiamas per rezistorių.

Aukšto dažnio filtro charakteristikos

Kai kalbėsime apie ribinis dažnis mes nurodome tašką filtro dažnio atsakas kur stiprinimas lygus 50% signalo didžiausio stiprinimo. ty. 3dB didžiausio pelno. Aukštų dažnių filtro stiprinimas didėja didėjant dažniams.


Aukšto dažnio filtro dažnio kreivė

Aukšto dažnio filtro dažnio kreivė

Šis ribinis dažnis fc priklauso nuo grandinės R ir C reikšmių. Čia Laiko konstanta τ = RC, ribinis dažnis yra atvirkštinis, proporcingas laiko konstantai.

Ribinis dažnis = 1 / 2πRC

Grandinės padidėjimą suteikia AV = „Vout“ / „Vin“

.t.y. AV = (Vout) / (V in) = R / √ (Rdu+ Xcdu) = R / Z

Žemu dažniu f: Xc → ∞, Vout = 0

Esant aukšto dažnio f: Xc → 0, Vout = Vin

Aukšto dažnio filtro dažnio atsakas arba aukšto dažnio filtro Bode diagrama

Aukšto dažnio filtre visi dažniai, esantys žemiau ribinio dažnio „fc“, yra susilpninti. Šiame išjungtame dažnio taške gauname -3dB padidėjimą ir šiuo metu kondensatoriaus ir rezistoriaus reikšmės reaktyvumas bus tas pats. Ty. R = Xc. Pelnas apskaičiuojamas kaip

Pelnas (dB) = 20 log (Vout / Vin)

Aukšto dažnio filtro kreivės nuolydis yra +20 d B / dešimtmetis, t. perėjus ribinį dažnio lygį, grandinės išėjimo atsakas padidėja nuo 0 iki Vin greičiu +20 dB per dešimtmetį, kuris yra 6 dB padidėjimas vienai oktavai.

Aukšto dažnio filtro dažnio atsakas

Aukšto dažnio filtro dažnio atsakas

Regionas nuo pradinio taško iki ribinio dažnio taško yra žinomas kaip sustabdymo juosta, nes neleidžiama praleisti jokių dažnių. Regionas iš viršaus ribinio dažnio taško. y. -3 dB taškas yra žinomas kaip leidimo juosta . Esant ribiniam dažniui, taškinė išėjimo įtampos amplitudė bus 70,7% įėjimo įtampos.

Čia filtro pralaidumas žymi dažnio, iš kurio leidžiama perduoti signalus, vertę. Pavyzdžiui, jei aukšto dažnio filtro pralaidumas nurodomas kaip 50 kHz, tai reiškia, kad leidžiama praeiti tik nuo 50 kHz iki begalybės.

Išėjimo signalo fazinis kampas yra +450, esant ribiniam dažniui. Aukšto dažnio filtro fazės poslinkio apskaičiavimo formulė yra

∅ = arktanas ⁡ (1 / 2πfRC)

Fazės poslinkio kreivė

Fazės poslinkio kreivė

Praktiškai filtro išėjimo atsakas nesitęsia iki begalybės. Elektrinė filtro elementų charakteristika riboja filtro reakciją. Tinkamai parinkdami filtro komponentus, mes galime reguliuoti slopinamų dažnių diapazoną, perduodamą diapazoną ir kt.

Aukšto dažnio filtras naudojant „Op-Amp“

Šiame aukšto dažnio filtre kartu su pasyviaisiais filtro elementais mes pridedame Op-amp į grandinę. Užuot gavus begalinį išėjimo atsaką, čia išvesties atsaką riboja atvira kilpa Op-amp charakteristikos . Taigi šis filtras veikia kaip dažnių juostos filtras su ribiniu dažniu, kurį apibrėžia Op-amp dažnių juostos plotis ir stiprinimo charakteristikos.

Aukšto dažnio filtras naudojant „Op-Amp“

Aukšto dažnio filtras naudojant „Op-Amp“

Atviros kilpos Op-amp įtampos padidėjimas veikia kaip ribinis juostos plotis stiprintuvas . Didinant įėjimo dažnį, stiprintuvo stiprinimas sumažėja iki 0 dB. Grandinės atsakas yra panašus į pasyvų aukšto dažnio filtrą, tačiau čia Op-amp stiprinimas sustiprina išėjimo signalo amplitudę.

The filtro padidėjimas naudojant ne invertuojantį Op-amp, pateikia:

AV = Vout / Vin = (Išjungta (f / fc)) / √ (1+ (f / fc) ^ 2)

kur Af yra filtro pralaidumo padidėjimas = 1+ (R2) / R1

f yra įvesties signalo dažnis Hz

fc yra ribotas dažnis

Kai maža tolerancija rezistoriai ir kondensatoriai Naudojami šie „High Pass Active“ filtrai užtikrina gerą tikslumą ir našumą.

Aktyvus aukšto dažnio filtras

Aukšto dažnio filtras naudojant „Op-amp“ taip pat žinomas kaip aktyvus aukšto dažnio filtras nes kartu su pasyviaisiais elementais kondensatorius ir rezistorius aktyvus elementas Grandinėje naudojamas op-amp . Naudodami šį aktyvųjį elementą galime valdyti filtro ribinį dažnį ir išėjimo atsako diapazoną.

Antros eilės aukšto dažnio filtras

Filtrų grandinės, kurias matėme iki šiol, visos laikomos pirmos eilės aukšto dažnio filtrais. Antros eilės aukšto dažnio filtras, prie tinklo pridedamas papildomas RC tinklo blokas pirmos eilės aukšto dažnio filtras ties įvesties keliu.

Antros eilės aukšto dažnio filtras

The antrojo laipsnio aukšto dažnio filtro dažnio atsakas yra panašus į pirmos eilės aukšto dažnio filtrą. Tačiau antros eilės aukšto dažnio filtro stabdymo juosta bus dvigubai didesnė už pirmosios eilės filtro 40 dB / dešimtmetį. Aukštesnės eilės filtrai gali būti suformuoti kaskadiniais pirmosios ir antrosios eilės filtrais. Nors užsakymui nėra jokių apribojimų, filtro dydis didėja kartu su jų tvarka ir blogėja tikslumas. Jei aukštesnės eilės filtre R1 = R2 = R3 ir tt ... ir C1 = C2 = C3 = ir tt ..., tada ribinis dažnis bus toks pat, nepriklausomai nuo filtro eilės.

Antros eilės aukšto dažnio filtras

Antros eilės aukšto dažnio filtras

Antrojo laipsnio „High Pass Active“ filtro ribinis dažnis gali būti pateiktas kaip

fc = 1 / (2π√ (R3 R4 C1 C2))

Aukšto dažnio filtro perkėlimo funkcija

Kadangi kondensatoriaus varža dažnai keičiasi, elektroniniai filtrai reaguoja į dažnį.

Kompleksinė kondensatoriaus varža pateikiama kaip Zc = 1 / sC

Kur s = σ + jω, ω yra kampinis dažnis radianais per sekundę

Grandinės perdavimo funkciją galima rasti naudojant standartinius grandinės analizės metodus, tokius kaip Ohmo įstatymas , Kirchhoffo įstatymai , Superpozicija ir tt Pagrindinę perdavimo funkcijos formą pateikia lygtis

H (s) = (am s ^ m + a (m-1) s ^ (m-1) + ⋯ + a0) / (bn s ^ n + b (n-1) s ^ (n-1) + ⋯ + b0)

The filtro tvarka yra žinomas pagal vardiklio laipsnį. Lenkai ir nuliai grandinės yra išgaunami sprendžiant lygties šaknis. Funkcija gali turėti tikras arba sudėtingas šaknis. Šių šaknų braižymas s plokštumoje, kur σ žymima horizontalia ašimi, o ω - ​​vertikalia, atskleidžia daug informacijos apie grandinę. Aukšto dažnio filtrui nulyje yra pradžia.

H (jω) = Vout / Vin = (-Z2 (jω)) / (Z1 (jω))

= - R2 / (R1 + 1 / jωC)

= -R2 / R1 (1 / (1+ 1 / (jωR1 C))

Čia H (∞) = R2 / R1, padidėjimas, kai ω → ∞

τ = R1 C ir ωc = 1 / (τ). ty. ωc = 1 / (R1C) yra ribinis dažnis

Taigi aukšto dažnio filtro perdavimo funkciją pateikia H (jω) = - H (∞) (1 / (1+ 1 / jωτ))

= - H (∞) (1 / (1- (jωc) / ω))

Kai įėjimo dažnis yra žemas, Z1 (jω) yra didelis, todėl išėjimo atsakas yra mažas.

H (jω) = (- H (∞)) / √ (1+ (ωc / ω) ^ 2) = 0, kai ω = 0 H (∞) / √2, kai ω = ω_c

ir H (∞), kai ω = ∞. Čia neigiamas ženklas rodo fazės poslinkį.

Kai R1 = R2, s = jω ir H (0) = 1

Taigi, aukšto dažnio filtro H funkcija (jω) = jω / (jω + ω_c)

Sviesto verta „High Pass“ filtro

Be nepageidaujamų dažnių atmetimo, idealus filtras taip pat turėtų būti vienodai jautrus norimiems dažniams. Toks idealus filtras yra nepraktiškas. Tačiau Stephenas Butteris vertas savo straipsnyje „Apie filtrų stiprintuvų teoriją“ parodė, kad tokio tipo filtrus galima pasiekti padidinus tinkamo dydžio filtrų elementų skaičių.

Sviesto vertas filtras yra suprojektuotas taip, kad filtro pralaidumo juostoje jis gautų plokščią dažnio reakciją ir sustojimo juostoje sumažėtų link nulio. Pagrindinis prototipas Sviesto vertas filtras yra žemo dažnio dizainas bet modifikacijomis aukštas perdavimas ir juostos filtrai gali būti suprojektuotas.

Kaip matėme aukščiau, pirmojo laipsnio aukšto dažnio filtro bloko stiprinimas yra H (jω) = jω / (jω + ω_c)

Dėl n tokių filtrų nuosekliai H (jω) = (jω / (jω + ω_c)) ^ n kuri išsprendus lygi

‘N’ kontroliuoja perėjimo tarp praeinamųjų juostų ir stabdymo juostų tvarką. Todėl aukštesnė tvarka, greitas perėjimas, kai n = ∞ Sviesto vertės filtras tampa idealiu aukštų dažnių filtru.

Diegdami šį filtrą, kad būtų paprasčiau, laikome ωc = 1 ir išsprendžiame perdavimo funkciją

dėl s = jω. ty. H (s) = s / (s + ωc) = s / (s + 1) 1 užsakymui:

H (s) = s ^ 2 / (s ^ 2 + ∆ωs + (ωc ^ 2) dėl 2 užsakymo

Todėl aukštų dažnių filtro kaskados perdavimo funkcija yra

„Bode“ sviesto planas, vertas aukšto dažnio filtro

„Bode“ sviesto planas, vertas aukšto dažnio filtro

Aukšto dažnio filtro programos

Aukšto dažnio filtrų programose daugiausia pateikiama ši informacija.

  • Šie filtrai naudojami garsiakalbiuose stiprinimui.
  • Aukšto dažnio filtras naudojamas pašalinti nepageidaujamus garsus šalia apatinio garsinio diapazono galo.
  • Siekiant užkirsti kelią Nuolatinė srovė kurie gali pakenkti stiprintuvui, kintamosios srovės jungimui naudojami aukšto dažnio filtrai.
  • Aukšto dažnio filtras Vaizdo apdorojimas : Aukštų dažnių filtrai naudojami apdorojant vaizdus, ​​kad būtų galima paryškinti detales. Taikydami šiuos filtrus paveikslėlyje, mes galime perdėti kiekvieną mažą paveikslėlio detalių dalį. Tačiau persistengimas gali sugadinti vaizdą, nes šie filtrai sustiprina vaizdo triukšmą.

Norint pasiekti stabilių ir idealių rezultatų, kuriant šiuos filtrus dar reikia daug ką tobulinti. Šie paprasti prietaisai vaidina svarbų vaidmenį įvairūs valdymo sistemos , automatinės sistemos, Vaizdo ir garso apdorojimas. Kuris iš taikymo Aukšto dažnio filtras ar teko susidurti?