Co to jest filtr górnoprzepustowy: działanie i jego zastosowania

Filtry to obwody elektroniczne, które umożliwiają określone składowe częstotliwości i tłumią niepożądane składowe częstotliwości sygnału wejściowego. Można je znaleźć w różnych zastosowaniach elektronicznych, aby umożliwić określony zakres częstotliwości sygnału. Zasadniczo filtry dzielą się na dwa typy w zależności od rodzaju komponentów użytych do projektowania i eksploatacji. Są to filtry pasywne i filtry aktywne. W zależności od zakresu częstotliwości filtry są podzielone na 4 typy. Są to filtry dolnoprzepustowe, filtry górnoprzepustowe, filtry pasmowoprzepustowe i filtry pasmowe zatrzymujące. W tym artykule opisano filtr górnoprzepustowy, który może być używany zarówno jako filtr aktywny, jak i pasywny. Czym jest filtr górnoprzepustowy? Filtr ma zdolność przepuszczania składników o wysokiej częstotliwości i tłumienia wszystkich składników o niskiej częstotliwości sygnału, jest znany jako filtr górnoprzepustowy. Może dopuścić składowe o wysokiej częstotliwości większe niż częstotliwość graniczna i odrzucić wszystkie inne niepożądane składowe częstotliwości sygnału. Tego typu filtry znajdują się w różnych obwodach RF i systemach przetwarzania sygnału. W praktyce filtr ten pozwoli na niższe częstotliwości sygnału, które są niższe od częstotliwości odcięcia. Obwód filtra górnoprzepustowegoTen obwód jest taki sam jak obwód filtra dolnoprzepustowego, z wyjątkiem tego, że rezystor i kondensator elementów są zamienione, jak pokazano na poniższym rysunku.Filtr górnoprzepustowy CircuitTwo elementy pasywne rezystor i kondensator są połączone szeregowo, aby umożliwić częstotliwości wyższe niż częstotliwość odcięcia sygnału. Napięcie wyjściowe sygnału jest uzyskiwane na rezystorze poprzez przyłożenie napięcia wejściowego do kondensatora. Ten typ filtra wchodzi w skład obwodu filtra górnoprzepustowego pierwszego rzędu. HPF drugiego rzędu to nic innego jak kaskadowanie dwóch obwodów filtra górnoprzepustowego RC w szeregu. Wzrost wzmocnienia pasma przepustowego w drugim rzędzie HPF będzie wynosił +40 dB/dekadę. Pasywne RC HPC Pasywny obwód filtra górnoprzepustowego RC może być zaprojektowany w dwóch kombinacjach, takich jak rezystor i kondensator (pasywny RC HPF); rezystor i cewka (pasywna RL HPF) w zależności od aplikacji. Pasywny RC HPF jest używany do zastosowań w zakresie audio lub niskich częstotliwości. Pasywne obwody RL HPF są używane do zastosowań w zakresie RF lub wysokich częstotliwości. Obwód filtra górnoprzepustowego jest również nazywany pasywnym filtrem górnoprzepustowym RC ze względu na użycie elementów pasywnych, takich jak rezystor i kondensator. Główną zaletą jest to, że nie ma potrzeby stosowania żadnego zewnętrznego zasilacza ani żadnych elementów wzmacniających. Pasywny RC HPF to prosty obwód RC HPF, jak pokazano na powyższym rysunku. Kondensator i rezystor są połączone szeregowo, gdzie napięcie wyjściowe jest rozwijane na rezystorze. Ze względu na reaktancję kondensatora filtr dopuszcza tylko wysokie częstotliwości sygnału większe niż częstotliwość odcięcia i blokuje niższe częstotliwości sygnału poniżej częstotliwości odcięcia. CharakterystykaTe charakterystyki filtra górnoprzepustowego są wyjaśnione w kategoriach odpowiedzi częstotliwościowej i przesunięcia fazowego sygnału wyjściowego.Idealna charakterystykaGłówną cechą filtra HPF jest to, że dopuszcza on wszystkie składowe o wysokiej częstotliwości większe niż częstotliwość graniczna i tłumi wszystkie niskie częstotliwości sygnału, które są niższe niż częstotliwość graniczna. Poniżej przedstawiono idealną charakterystykę HPF. Pasmo przenoszenia jest określane jako HPF pozwala na wyższe częstotliwości, które są większe niż częstotliwość odcięcia. Filtr ten tłumi niskie częstotliwości, które są nazywane pasmem zaporowym.Idealna charakterystyka odpowiedzi częstotliwościowej filtra górnoprzepustowegoCzęstotliwość sygnału wyjściowego jest wprost proporcjonalna do wzmocnienia. Wraz ze wzrostem częstotliwości zwiększa się wzmocnienie. Odpowiedź częstotliwościowa filtra górnoprzepustowego RC zależy od reaktancji kondensatora. Kondensator wytwarza wymaganą reaktancję lub wysoką reaktancję do tłumienia niskich częstotliwości sygnału, tj. poniżej częstotliwości odcięcia. Przy niskiej reaktancji kondensatora, filtr górnoprzepustowy RC dopuszcza składowe sygnału o wysokiej częstotliwości, tj. wyższe niż częstotliwość odcięcia. Praktycznie jednak filtr górnoprzepustowy RC dopuszcza niskie częstotliwości poniżej swojej częstotliwości odcięcia. Wzmocnienie filtra górnoprzepustowego RC staje się jednością, gdy reaktancja jest niska/zero przy wysokich częstotliwościach. Czyli napięcie wyjściowe jest takie samo jak podane napięcie wejściowe. Aby umożliwić wysokie częstotliwości i odrzucić niskie częstotliwości, reaktancja pojemnościowa zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości, co powoduje wzrost napięcia wyjściowego i wzmocnienia. Reaktancja pojemnościowa jest podana jako,Xc = 1/2πfcGdzie „fc” = częstotliwość odcięcia w Hz „Xc” = reaktancja pojemnościowa. Pasmo przenoszenia i charakterystykę przesunięcia fazowego filtra górnoprzepustowego RC pokazano poniżej.Charakterystyka RC HPF Na rysunku możemy zaobserwować, że niskie częstotliwości są blokowane/odrzucane i zwiększają napięcie wyjściowe o +20dB/dekadę, gdy częstotliwość jest na częstotliwości odcięcia i R=Xc. Filtr górnoprzepustowy RC dopuszcza wysokie częstotliwości (od częstotliwości odcięcia do nieskończoności), gdy napięcie wyjściowe wynosi 0.7071 lub 70.71% napięcia wejściowego, tj. przy poziomach wejściowych i wyjściowych -3 dB (poprzez obliczenie 20 log Vout/Vin). Oznacza to, że odpowiedź częstotliwościowa HPF jest taka, że ​​sygnały o wysokiej częstotliwości są dozwolone od częstotliwości odcięcia do nieskończoności. Przy częstotliwości odcięcia przesunięcie fazowe sygnału wejściowego i wyjściowego jest takie samo, tj. przy 45°. Gdy częstotliwość sygnału jest większa niż częstotliwość odcięcia, kąt fazowy wynosi zero. Oznacza to, że sygnał wyjściowy jest w fazie w stosunku do sygnału wejściowego o wysokich częstotliwościach. Czas ładowania i rozładowania kondensatora wyrażany jest w postaci stałej czasowej oznaczanej przez „τ”. Stała czasowa filtra górnoprzepustowego RC jest podana jakoτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RCCzęstotliwość odcięcia RC HPF jest podana jako,fc= 1/2πRCPrzesunięcie fazowe RC HPF wynosi podane jako Φ=tan-1 (1/2πfRC)Gdzie 'fc' = częstotliwość odcięcia w Hz'f' = częstotliwość robocza w Hz'R' = wartość rezystancji w omach'C'= wartość kondensatora w FaradsHigh Pass Filtruj za pomocą wzmacniacza operacyjnego Filtr górnoprzepustowy wykorzystujący wzmacniacz operacyjny jest bardzo łatwy do zaprojektowania i wdrożenia, ponieważ wykorzystuje ograniczoną ilość. elementów elektronicznych oraz usuwa szumy i przydźwięki. Schemat obwodu filtra górnoprzepustowego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny pokazano poniżej. Pasywny RC HPF jest podłączony do nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego w celu wzmocnienia i kontroli wzmocnienia napięcia.Filtr górnoprzepustowy wykorzystujący wzmacniacz operacyjnyWyjście jest ograniczone przez charakterystykę pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego. Wyjście RC HPF jest podawane do wzmacniacza operacyjnego w celu wzmocnienia i kontroli wzmocnienia napięciowego sygnału wyjściowego. Wzmocnienie napięciowe filtra górnoprzepustowego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny jest podane jako Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2)Gdzie Av= wzmocnienie napięcia w dB= 1+R2/R1Af = wzmocnienie pasma przepustowegofc= częstotliwość odcięcia w Hzf = częstotliwość robocza w HzGdy f < fc (niskie częstotliwości) , wtedy Vout/Vin < AfGdy f = fc (przy częstotliwości odcięcia), to Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfGdy f > fc (wysokie częstotliwości), to Vout/Vin = Af Pasmo pętli zamkniętej wzmacniacz operacyjny określa najwyższą częstotliwość HPF, która ma stałe wzmocnienie pasma przenoszenia Af.Wielkość wzmocnienia napięciowego jest podawana jako Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout/Vin ) Aktywny filtr górnoprzepustowy Jeśli filtr górnoprzepustowy RC jest podłączony do aktywnego elementu, takiego jak wzmacniacz operacyjny, aby umożliwić wysokie częstotliwości i odrzucić niskie częstotliwości, nazywany jest aktywnym filtrem HPF. Pasmo przenoszenia i przesunięcie fazowe aktywnego HPF są takie same jak RC HPF. Zadaniem aktywnego filtra górnoprzepustowego jest kontrola wzmocnienia napięciowego i wzmocnienie sygnału wyjściowego. Schemat obwodu aktywnego filtra górnoprzepustowego do wzmocnienia pokazano poniżej.Aktywny HPF dla wzmocnienia Obwód RC HPF jest podłączony do nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego. Wyjście i częstotliwość odcięcia pasywnego filtra górnoprzepustowego są kontrolowane przez wzmacniacz operacyjny. Gdzie szerokość pasma i charakterystyka wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego określają częstotliwość odcięcia. Ten typ filtra działa jak filtr pasmowy. Wzmacniacz operacyjny zwiększa amplitudę sygnału wyjściowego, a wzmocnienie napięcia wyjściowego pasma przepustowego jest podane jako 1+R2/R1, co jest takie samo jak w przypadku filtra dolnoprzepustowego. Funkcja transferu Aby uzyskać funkcję transferu filtra górnoprzepustowego, będziemy rozważ pasywny obwód RC HPF, jak pokazano powyżej. Z powyższego obwodu Vo = napięcie wyjściowe na rezystorze Vi = napięcie wejściowe przyłożone do kondensatora Biorąc transformację Laplace'a zarówno po stronie wejściowej, jak i wyjściowej, H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC))Powyższe równanie staje się,H(s)=sCR/(1+sCR)Podstawiając s=jw w powyższym równaniuH(jω)=jωCR /(1+jωCR)Wtedy równanie staje sięWielkość transmitancji HPF jest reprezentowana jako|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Jeżeli ω = 0, to transmitancja HPF = 0Jeżeli ω = 1/CR, to transmitancja HPF = 0.707 Jeśli ω = nieskończoność, to transmitancja HPF = 1 Stąd powyższe charakterystyki transmitancji pokazują, że pasywny filtr górnoprzepustowy RC może pozwolić na wysokie częstotliwości od częstotliwości odcięcia do i nieskończoność. tj. zmienia się od 0 do 1, jeśli ω zmienia się od 0 do nieskończoności. Filtr górnoprzepustowy Butterwortha Filtr górnoprzepustowy Butterwortha jest jednym z typów filtrów wysokoprzepustowych, który zapewnia płaską charakterystykę częstotliwościową w paśmie przepuszczania. Ze względu na płaską charakterystykę częstotliwościową nie będzie żadnych tętnień. Jest również znany jako płaski filtr płaski, używany w różnych aplikacjach, w których wzmocnienie w pętli zamkniętej pasma przepustowego jest jednością. Schemat obwodu i odpowiedź częstotliwościowa filtra górnoprzepustowego Butterwortha pierwszego rzędu pokazano poniżej. Są bardzo łatwe i proste w projektowaniu.Butterworth HPFWzmocnienie wzrasta w tempie +20dB/dekadę dla pierwszego rzędu Butterwortha HPF i podczas gdy dla drugiego rzędu Butterwortha HPF wyniesie +40dB/dekadę.Charakterystyka HPF ButterworthaZastosowaniaZastosowania filtrów górnoprzepustowych to głośniki do wzmacniania sygnałówPrzetwarzanie obrazuWykorzystywane do wzmacniania prądu stałego i do sprzężenia ACSystemy sterowania i systemy przetwarzania dźwięku.Rozgałęźniki DSL w telefonachAplikacje RF Tak więc chodzi o przegląd filtra górnoprzepustowego (zarówno typu aktywnego, jak i pasywnego) - definicja, obwód, Butterworth HPF, HPF przy użyciu wzmacniacza operacyjnego i jego zastosowania. Oto pytanie dla Ciebie: „Jakie są zalety i wady filtrów górnoprzepustowych?”

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów