Што такое фільтр высокіх частот: праца і яго прымяненне

Фільтры - гэта электронныя схемы, якія дазваляюць выкарыстоўваць пэўныя кампаненты частоты і аслабляюць непажаданыя кампаненты частоты ўваходнага сігналу. Яны сустракаюцца ў розных электронных дадатках, каб дазволіць пэўны дыяпазон частот сігналу. У асноўным фільтры дзеляцца на два тыпу ў залежнасці ад тыпу кампанентаў, якія выкарыстоўваюцца пры праектаванні і эксплуатацыі. Гэта пасіўныя і актыўныя фільтры. У залежнасці ад дыяпазону частот, фільтры дзеляцца на 4 тыпы. Яны з'яўляюцца фільтрамі нізкіх частот, фільтрамі высокіх частот, фільтрамі прапускной здольнасці і фільтрамі дыяпазону частот. У гэтым артыкуле апісаны фільтр высокіх частот, які можна выкарыстоўваць як у якасці актыўнага фільтра, так і ў якасці пасіўнага фільтра. Што такое фільтр высокіх частот? Фільтр мае магчымасць прапускаць высокачашчынныя кампаненты сігналу і аслабляе ўсе нізкачашчынныя кампаненты сігнал, вядомы як фільтр высокіх частот. Ён можа дазволіць высокачашчынным кампанентам перавысіць адрэзаную частату і адхіліць усе іншыя непажаданыя кампаненты частоты сігналу. Гэтыя тыпы фільтраў сустракаюцца ў розных ВЧ -схемах і сістэмах апрацоўкі сігналаў. На практыцы гэты фільтр будзе дапускаць больш нізкія частоты сігналу, якія ніжэй за гранічную частату. Схема фільтра высокіх частот Гэтая схема такая ж, як у ланцуга фільтра нізкіх частот, за выключэннем таго, што рэзістар кампанентаў і кандэнсатар памяняліся месцамі, як паказана на малюнку ніжэй.Схема фільтра высокіх частот Два рэзістара пасіўных элементаў і кандэнсатар злучаны паслядоўна, каб дазволіць частату перавысіць адрэзаную частату сігналу. Выходнае напружанне сігналу атрымліваецца праз рэзістар, падаючы ўваходнае напружанне на кандэнсатар. Гэты тып фільтра ўваходзіць у схему фільтраў высокіх частот першага парадку. HPF другога парадку-гэта не што іншае, як каскад з двух паслядоўных схем фільтра высокіх частот RC. Павелічэнне ўзмацнення паласы прапускання ў HPF другога парадку будзе адбывацца з хуткасцю +40 дБ/дзесяцігоддзе. Пасіўны RC HPCСхема фільтра высокіх частот пасіўнага RC можа быць распрацавана ў двух спалучэннях, такіх як рэзістар і кандэнсатар (пасіўны RC HPF); рэзістар і індуктар (пасіўны RL HPF) на аснове прымянення. Пасіўны RC HPF выкарыстоўваецца для прымянення ў аўдыё або нізкачашчынных дыяпазонах. Пасіўныя схемы RL HPF выкарыстоўваюцца для прымянення ў ВЧ або высокачашчынных дыяпазонах. Схема фільтра высокіх частот таксама называецца пасіўным фільтрам высокіх частот RC з-за выкарыстання пасіўных элементаў, такіх як рэзістар і кандэнсатар. Асноўная перавага заключаецца ў тым, што няма неабходнасці прымяняць знешні блок харчавання або якія -небудзь кампаненты ўзмацнення. Пасіўны RC HPF - гэта простая схема RC HPF, як паказана на малюнку вышэй. Кандэнсатар і рэзістар злучаны паслядоўна, дзе на рэзістары развіваецца выходнае напружанне. З-за рэактыўнага супраціву кандэнсатара фільтр дазваляе толькі высокія частоты сігналу, большыя за частату адсячэння, і блакуе ніжнія частоты сігналу ніжэй адрэзанай частоты. Характарыстыкі Гэтыя характарыстыкі фільтра высокіх частот тлумачацца з пункту гледжання частотнай характарыстыкі і зруху фаз выходнага сігналу. Ідэальныя характарыстыкі сігналу, якія ніжэй за гранічную частату. Ідэальныя характарыстыкі HPF паказаны ніжэй. Паласа прапускання называецца HPF дазваляе больш высокія частоты, якія перавышаюць адрэзаную частату. Гэты фільтр паслабляе нізкія частоты, што называецца абмежавальнікам.Ідэальныя характарыстыкі фільтра высокіх частот Частотны водгук Частата выходнага сігналу прама прапарцыйная ўзмацненню. Пры павелічэнні частоты ўзмацненне ўзрастае. Частатная характарыстыка фільтра высокіх частот RC залежыць ад рэактыўнага супраціву кандэнсатара. Кандэнсатар вырабляе неабходную колькасць рэактыўнага супраціву або высокага рэактыўнага супраціву для паслаблення нізкіх частот сігналу, гэта значыць ніжэй адрэзачнай частоты. Пры нізкім рэактыўным супраціве кандэнсатара, фільтр высокіх частот RC дазваляе высокачашчынныя кампаненты сігналу, гэта значыць больш, чым частата адсячэння. Але, практычна, фільтр высокіх частот RC дазваляе нізкія частоты ніжэй адрэзанай. Каэфіцыент узмацнення фільтра высокіх частот RC становіцца адзінкай, калі рэактыўнае супраціўленне нізкае/нулявое на высокіх частотах. Гэта значыць, што выходнае напружанне такое ж, як дадзенае ўваходнае напружанне. Каб дазволіць высокія частоты і адхіліць нізкія, ёмістасць рэактыўнага супраціву памяншаецца з павелічэннем частоты, што прыводзіць да павелічэння выхаднога напружання і ўзмацнення. Ёмістае рэактыўнае супраціўленне даецца як, Xc = 1/2πfc Дзе "fc" = частата адсячэння ў Гц "Xc" = ёмістнае супраціўляльнае значэнне Частатная характарыстыка і фазавы зрух фільтра высокачастотных дыскаў паказаны ніжэй.Характарыстыкі RC HPF З малюнка мы можам назіраць, што нізкія частоты блакуюцца/адхіляюцца і павялічваюць выходнае напружанне на +20 дБ/дзесяцігоддзе, калі частата знаходзіцца на адрэзанай частаце і R = Xc. Фільтр высокіх частот RC дазваляе высокія частоты (ад частоты адключэння да бясконцасці), калі выходнае напружанне складае 0.7071 або 70.71% ад яго ўваходнага напружання, гэта значыць пры -3 дБ ўваходных і выходных узроўнях (па разліку 20 log Vout/Vin). Гэта азначае, што частотная характарыстыка HPF такая, што высокачашчынныя сігналы дапускаюцца ад частоты адсячэння да бясконцасці. На частаце адключэння фазавы зыходны і выходны сігнал аднолькавы, то ёсць пры 45 °. Калі частата сігналу больш, чым гранічная частата, фазавы кут роўны нулю. Гэта азначае, што выхадны сігнал знаходзіцца ў фазе адносна ўваходнага сігналу на высокіх частотах. Час, неабходнае для зарадкі і разраду кандэнсатара, выражаецца ў выглядзе пастаяннай часу, пазначанай "τ". Канстанта часу фільтра высокіх частот RC даецца якτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RC Частата адсячэння RC HPF даецца як, fc = 1/2πRC Фазавы зрух RC HPF задаецца якΦ = tan-1 (1/2πfRC) Дзе 'fc' = частата адсячэння ў Гц'f '= працоўная частата ў Гц'R' = значэнне супраціву ў омах'C '= значэнне кандэнсатара ў Фарадзе Фільтр з дапамогай аперацыйнага ўзмацняльніка Фільтр высокіх частот з выкарыстаннем аперацыйнага ўзмацняльніка вельмі просты ў распрацоўцы і рэалізацыі, паколькі выкарыстоўвае абмежаваную колькасць. электронных кампанентаў і выдаляе шум і гул. Электрычная схема фільтра высокіх частот з выкарыстаннем аперацыйнага ўзмацняльніка паказана ніжэй. Пасіўны RC HPF падключаецца да неінвертуючага аперацыйнага ўзмацняльніка для ўзмацнення і кіравання ўзмацненнем напружання.Фільтр высокіх частот з выкарыстаннем аперацыйнага ўзмацняльніка Выхад абмежаваны характарыстыкамі аперацыйнага ўзмацняльніка з адкрытым контурам. Выхад RC HPF падаецца на аперацыйны ўзмацняльнік для ўзмацнення і кантролю ўзмацнення напружання выходнага сігналу. Узмацненне напружання фільтра высокіх частот з дапамогай аперацыйнага ўзмацняльніка даецца як Aᵥ = Vout/Vin = Af (f /fc)/√ (1+ (f/fc) 2) Дзе Av = узмацненне напружання ў дБ = 1+R2/R1Af = каэфіцыент узмацнення прапускной здольнасці fc = частата адсячэння ў Гц = працоўная частата ў Гц Калі f <fc (нізкія частоты) , то Vout/Vin <Af Калі f = fc (на частаце адключэння), то Vout/Vin = Af/2 ^½ = 0.7071Af Калі f> fc (высокія частоты), то Vout/Vin = Af Прапускная здольнасць замкнёнага контуру аперацыйны ўзмацняльнік вызначае самую высокую частату HPF, якая мае пастаянны каэфіцыент узмацнення паласы прапускання Af. Велічыня ўзмацнення напружання задаецца якAv (dB) = 20 log (Vout / Vin) -3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ) Актыўны фільтр высокіх частот Калі фільтр высокіх частот RC падлучаны да актыўнага элемента, напрыклад, да аператара-ўзмацняльніка, каб дазволіць высокія частоты і адхіляе нізкія частоты, ён называецца актыўным HPF. Частатная характарыстыка і зрух фаз актыўнага HPF такія ж, як і RC HPF. Мэта актыўнага фільтра высокіх частот - кантраляваць узмацненне напружання і ўзмацняць выхадны сігнал. Схема актыўнага фільтра высокіх частот для ўзмацнення паказана ніжэй.Актыўны HPF для ўзмацнення Схема RC HPF падключаецца да неінвертуючага аперацыйнага ўзмацняльніка. Выхад і частата адключэння пасіўнага фільтра высокіх частот кантралююцца аперацыйным узмацняльнікам. Дзе характарыстыкі прапускной здольнасці і ўзмацнення оп-ўзмацняльніка вызначаюць адрэзаную частату. Гэты тып фільтра выступае ў якасці паласавога фільтра. Ап-ўзмацняльнік павялічвае амплітуду выходнага сігналу, а ўзмацненне выхаднога напружання паласы прапускання даецца як 1+R2/R1, што тое ж самае, што і фільтр нізкіх частот. разгледзім пасіўную схему RC HPF, як паказана вышэй. З прыведзенай схемы Vo = выходнае напружанне на рэзістары Vi = уваходнае напружанне, пададзенае на кандэнсатар Прымаючы пераўтварэнне Лапласа як на ўваходным, так і на выходным боку, H (s) = Vₒ (s)/ Vᵢ (s) H (s) = R/(R+(1/sC)) Вышэйпрыведзенае ўраўненне становіцца: H (s) = sCR/(1+sCR) шляхам замены s = jw у прыведзеным вышэй раўнанні H (jω) = jωCR /(1+jωCR) Тады ўраўненне становіцца Велічынёй функцыі перадачы HPF прадстаўлена як | H (jω) | = ωCR/√ (1+ (ωCR)^2) Калі ω = 0, то функцыя перадачы HPF = 0 Калі ω = 1/CR, то перадача функцыі HPF = 0.707 Калі ω = бясконцасць, то функцыя перадачы HPF = 1 Такім чынам, прыведзеныя вышэй характарыстыкі функцыі перадачы паказваюць, што фільтр высокіх частот пасіўнага RC можа дазволіць высокім частотам ад зрэзанай частоты да i п бясконцасць. г.зн. вар'іруецца ад 0 да 1, калі ω змяняецца ад 0 да бясконцасці. Баттервортскі HPF Фільтр высокіх частот Батэрворт - адзін з тыпаў ВЧЧ, які забяспечвае плоскую частотную характарыстыку ў паласе прапускання. Дзякуючы плоскай частотнай характарыстыцы, не будзе рабізна. Ён таксама вядомы як плоскі плоскі фільтр, які выкарыстоўваецца ў розных прыкладаннях, дзе ўзмацненне замкнёнага контуру паласы прапускання складае адзінку. Схема і частотная характарыстыка фільтра высокіх частот Батэрварта першага парадку паказаны ніжэй. Яны вельмі простыя і простыя ў распрацоўцы.Баттервортскі HPF Прырост павялічваецца з хуткасцю +20 дБ/дзесяцігоддзе для першага парадку Батэрвортскага ВПЛ, а ў той час як для другога парадку Батэрвортскага HPF ён будзе +40 дБ/дзесяцігоддзе.Характарыстыкі HPF Butterworth Прыкладанні Прыкладанні фільтраў высокіх частот - гэта дынамікі для ўзмацнення сігналаў Апрацоўка малюнкаў Выкарыстоўваецца для ўзмацнення пастаяннага току і для пераменнага току Сістэмы кіравання і сістэмы апрацоўкі гуку. Раздзяляльнікі DSL у тэлефонах Прылады ВЧ Такім чынам, гэта ўсё аб аглядзе фільтра высокіх частот (актыўнага і пасіўнага тыпу) - вызначэнне, схема, HPF Butterworth, HPF з дапамогай аперацыйнага ўзмацняльніка, і яго прымяненне. Вось вам пытанне: "У чым перавагі і недахопы фільтраў высокіх частот?"

Пакінь паведамленне 

спіс паведамленняў