Mis on kõrgpääsfilter: töötab ja selle rakendused

Filtrid on elektroonilised ahelad, mis võimaldavad teatud sageduskomponente ja summutavad sisendsignaali soovimatuid sageduskomponente. Neid leidub erinevates elektroonilistes rakendustes, et võimaldada signaali teatud sagedusvahemikku. Põhimõtteliselt jagunevad filtrid projekteerimisel ja töös kasutatavate komponentide tüübi järgi kahte tüüpi. Need on passiivsed filtrid ja aktiivsed filtrid. Sõltuvalt sagedusvahemikust jagatakse filtrid nelja tüüpi. Need on madalpääsfiltrid, kõrgpääsfiltrid, ribapääsfiltrid ja ribapeatusfiltrid. Selles artiklis kirjeldatakse kõrgpääsfiltrit, mida saab kasutada nii aktiivse kui ka passiivse filtrina. Mis on kõrgpääsfilter? Filtril on võime lubada signaali kõrgsageduslikke komponente ja nõrgendada kõiki signaali madalsageduslikke komponente. signaal, mida tuntakse kõrgpääsfiltrina. See võib lubada kõrgsageduskomponente, mis on suuremad kui piirsagedus, ja lükkab tagasi kõik muud signaali soovimatud sageduskomponendid. Seda tüüpi filtreid leidub erinevates RF-ahelates ja signaalitöötlussüsteemides. Praktikas võimaldab see filter signaali madalamaid sagedusi, mis on madalamad kui piirsagedus. Kõrgpääsfiltri vooluahel See ahel on sama, mis madalpääsfiltri vooluring, välja arvatud see, et takisti ja kondensaatori komponendid on omavahel vahetatud, nagu on näidatud alloleval joonisel.Kõrgpääsfiltri vooluringKaks passiivset elementi takisti ja kondensaator on ühendatud järjestikku, et võimaldada signaali piirsagedusest kõrgemaid sagedusi. Signaali väljundpinge saadakse üle takisti, rakendades kondensaatorile sisendpinget. Seda tüüpi filtrid kuuluvad esimese järgu kõrgpääsfiltri vooluringi. Teist järku HPF pole midagi muud kui kahe järjestikuse RC kõrgpääsfiltri ahela kaskaad. Teise järgu HPF-i pääsuriba võimenduse suurenemine on +40 dB kümnendi kohta. Passiivne RC HPC Passiivse RC kõrgpääsfiltri ahelat saab konstrueerida kahes kombinatsioonis, nagu takisti ja kondensaator (passiivne RC HPF); takisti ja induktiivpool (passiivne RL HPF) vastavalt rakendusele. Passiivset RC HPF-i kasutatakse heli- või madala sagedusega rakendustes. Passiivseid RL HPF ahelaid kasutatakse rakendustes RF või kõrgsagedusvahemikus. Kõrgpääsfiltri ahelat nimetatakse ka passiivseks RC kõrgpääsfiltriks, kuna kasutatakse passiivseid elemente, nagu takisti ja kondensaator. Peamine eelis on see, et pole vaja kasutada välist toiteallikat ega võimenduskomponente. Passiivne RC HPF on lihtne RC HPF-ahel, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel. Kondensaator ja takisti on ühendatud järjestikku, kus väljundpinge arendatakse üle takisti. Kondensaatori reaktantsi tõttu lubab filter ainult piirsagedusest suurema signaali kõrgeid sagedusi ja blokeerib piirsagedusest madalama signaali madalamad sagedused. Karakteristikud Neid kõrgpääsfiltri omadusi selgitatakse väljundsignaali sageduskarakteristiku ja faasinihkega. Ideaalsed omadused HPF-i peamine omadus on see, et see võimaldab kõiki kõrgsageduslikke komponente, mis on suuremad kui piirsagedus, ja summutab kõiki madalaid sagedusi. signaali, mis on lõikesagedusest madalamad. HPF-i ideaalsed omadused on näidatud allpool. Läbipääsuriba nimetatakse HPF-iks, mis võimaldab kõrgemaid sagedusi, mis on suuremad kui piirsagedus. See filter summutab madalaid sagedusi, mida nimetatakse stopperiks.Kõrgpääsfiltri ideaalsed omadused sagedusreaktsioon Väljundsignaali sagedus on otseselt võrdeline võimendusega. Kui sagedus suureneb, suureneb võimendus. RC kõrgpääsfiltri sageduskarakteristik sõltub kondensaatori reaktantsist. Kondensaator tekitab signaali madalate sageduste, st alla piirsageduse, summutamiseks vajaliku reaktiivtakistuse või suure reaktantsi. Kondensaatori madala reaktiivsuse korral võimaldab RC kõrgpääsfilter kasutada signaali kõrgsageduslikke komponente, st suuremaid kui piirsagedus. Kuid praktiliselt võimaldab RC kõrgpääsfilter madalaid sagedusi alla selle piirsageduse. RC kõrgpääsfiltri võimendus muutub ühtseks, kui reaktiivtaksus on kõrgetel sagedustel madal/null. See tähendab, et väljundpinge on sama, mis antud sisendpinge. Kõrgete sageduste lubamiseks ja madalate sageduste tagasilükkamiseks väheneb mahtuvuslik reaktants sageduse suurenemisega, mille tulemuseks on väljundpinge ja võimenduse suurenemine. Mahtuvuslik reaktiivtaksus on antud järgmiselt: Xc = 1/2πfc, kus 'fc' = piirsagedus Hz'is'Xc' = mahtuvuslik reaktants. RC kõrgpääsfiltri sageduskarakteristiku ja faasinihke karakteristikud on näidatud allpool.RC HPF omadused Jooniselt näeme, et madalad sagedused blokeeritakse/tõrjutakse ja tõstavad väljundpinget +20dB/dekaad, kui sagedus on piirsagedusel ja R=Xc. RC kõrgpääsfilter võimaldab kõrgeid sagedusi (läbisagedusest lõpmatuseni), kui väljundpinge on 0.7071 või 70.71% selle sisendpingest, st -3 dB sisend- ja väljundtasemetel (arvutades 20 log Vout/Vin). See tähendab, et HPF-i sageduskarakteristik on see, et kõrgsageduslikud signaalid on lubatud piirsagedusest lõpmatuseni. Lõppsagedusel on sisend- ja väljundsignaali faasinihe sama, st 45° juures. Kui signaali sagedus on suurem kui piirsagedus, on faasinurk null. See tähendab, et väljundsignaal on kõrgetel sagedustel sisendsignaali suhtes faasis. Kondensaatori laadimiseks ja tühjenemiseks kuluv aeg on väljendatud ajakonstandi kujul, mida tähistatakse tähega τ. RC kõrgpääsfiltri ajakonstant on antud kujulτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RCRC HPF piirsagedus on antud järgmiselt,fc= 1/2πRCRC HPF-i faasinihe on antud kuiΦ=tan-1 (1/2πfRC) kus 'fc' = piirsagedus hertsides'f' = töösagedus hertsides'R' = takistuse väärtus oomides'C'= kondensaatori väärtus Faradsi kõrgläbipääsus Filter Op-Amp abil Op-amp-i kasutavat kõrgpääsfiltrit on väga lihtne kujundada ja rakendada, kuna see kasutab piiratud arvu. elektroonikakomponentide ja eemaldab müra ja suminat. Allpool on näidatud kõrgpääsfiltri skeem, mis kasutab operatsioonivõimendit. Passiivne RC HPF on võimenduse ja pinge võimenduse juhtimiseks ühendatud mitteinverteeriva operatsioonivõimendiga.Kõrgpääsfilter op-amp’i abil Väljund on piiratud op-võimendi avatud ahelaga omadustega. RC HPF-i väljund rakendatakse operatsioonivõimendile väljundsignaali pingevõimenduse võimendamiseks ja juhtimiseks. Op-amp'i kasutava kõrgpääsfiltri pingevõimendus on esitatud järgmiselt: Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2) Kus Av = pinge võimendus dB-des = 1+R2/R1Af = pääsuriba võimendusfc = piirsagedus Hzf = töösagedus hertsides, kui f < fc (madalad sagedused) , siis Vout/Vin < AfKui f = fc (läbisagedusel), siis Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfKui f > fc (kõrged sagedused), siis Vout/Vin = AfKinnise ahela ribalaius Op-amp määrab HPF-i kõrgeima sageduse, millel on konstantne pääsuriba võimendus Af. Pingevõimenduse suurus on antud kui Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin )Aktiivne kõrgpääsfilter Kui RC kõrgpääsfilter on kõrgete sageduste lubamiseks ühendatud aktiivse elemendiga, nagu op-amp, ja lükkab madalad sagedused tagasi, nimetatakse seda aktiivseks HPF-iks. Aktiivse HPF-i sageduskarakteristik ja faasinihe on samad, mis RC HPF-il. Aktiivse kõrgpääsfiltri eesmärk on juhtida pinge võimendust ja võimendada väljundsignaali. Allpool on näidatud võimenduse aktiivse kõrgpääsfiltri skeem.Aktiivne HPF võimenduseks RC HPF ahel on ühendatud mitteinverteeriva operatsioonivõimendiga. Passiivse kõrgpääsfiltri väljundit ja piirsagedust juhib op-amp. Kui operatiivvõimendi ribalaius ja võimendusomadused määravad ära piirsageduse. Seda tüüpi filter toimib ribapääsfiltrina. Operatsioonivõimendi suurendab väljundsignaali amplituudi ja pääsuriba väljundpinge võimendus on antud kujul 1+R2/R1, mis on sama, mis madalpääsfiltril.Ülekandefunktsioon Kõrgpääsfiltri ülekandefunktsiooni tuletamiseks kaaluge passiivset RC HPF vooluringi, nagu ülal näidatud. Ülaltoodud ahelast lähtudes Vo = takisti väljundpinge Vi = kondensaatorile rakendatud sisendpinge, kasutades Laplace'i teisendust nii sisendi kui väljundi poolel, H(s) = Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC)) Ülaltoodud võrrand muutub,H(s)=sCR/(1+sCR)asendades s=jw ülaltoodud võrrandis H(jω)=jωCR /(1+jωCR)Siis võrrandist saab HPF-i ülekandefunktsiooni suurusjärk |H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Kui ω = 0, siis HPF-i ülekandefunktsioon = 0Kui ω = 1/CR, siis HPF-i ülekandefunktsioon = 0.707Kui ω = lõpmatus, siis HPF-i edastusfunktsioon = 1. Seega näitavad ülaltoodud ülekandefunktsiooni omadused, et passiivne RC kõrgpääsfilter võib lubada kõrgeid sagedusi piirsagedusest i-ni. lõpmatus. st varieerub vahemikus 0 kuni 1, kui ω varieerub vahemikus 0 kuni lõpmatuseni.Butterworth HPFButterworthi kõrgpääsfilter on üks HPF-ide tüüpidest, mis tagab pääsuribas tasase sagedusreaktsiooni. Tänu oma tasasele sagedusreaktsioonile ei esine lainetust. Seda tuntakse ka lamefiltrina, mida kasutatakse erinevates rakendustes, kus pääsuriba suletud ahela võimendus on ühtne. Esimese järgu Butterworthi kõrgpääsfiltri elektriskeem ja sageduskarakteristik on näidatud allpool. Neid on väga lihtne ja lihtne kujundada.Butterworthi HPF-i võimendus suureneb esimese järgu Butterworthi HPF-i puhul +20 dB kümnendi kohta ja teise järgu Butterworthi HPF-i puhul on see +40 dB kümnendi kohta.Butterworthi HPF-i omadusedRakendused Kõrgpääsfiltrite rakendused on kõlarid signaalide võimendamiseks. PilditöötlusKasutatakse alalisvoolu võimendamiseks ja vahelduvvoolu ühendamiseks Juhtsüsteemide ja helitöötlussüsteemide jaoks. DSL-jaoturid telefonides RF-rakendustes Seega on see kõik kõrgpääsfiltri (nii aktiivse kui passiivse tüüpi) ülevaade - määratlus, vooluahel, Butterworthi HPF, HPF, kasutades Op-ampi ja selle rakendused. Siin on teile küsimus: "Millised on kõrgpääsfiltrite eelised ja puudused?"

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri