Что такое фильтр высоких частот: работа и его применение

Фильтры - это электронные схемы, которые пропускают определенные частотные составляющие и ослабляют нежелательные частотные составляющие входного сигнала. Они используются в различных электронных приложениях, чтобы разрешить определенный диапазон частот сигнала. В основном фильтры делятся на два типа в зависимости от типа компонентов, используемых при проектировании и эксплуатации. Это пассивные фильтры и активные фильтры. В зависимости от диапазона частот фильтры делятся на 4 типа. Это фильтры нижних частот, фильтры верхних частот, полосовые фильтры и полосовые ограничительные фильтры. В этой статье описывается фильтр верхних частот, который можно использовать как активный, так и пассивный фильтр. Что такое фильтр верхних частот? Этот фильтр может пропускать высокочастотные компоненты сигнала и ослаблять все низкочастотные компоненты сигнала. сигнал, известный как фильтр высоких частот. Он может пропускать высокочастотные компоненты, превышающие частоту среза, и отклонять все другие нежелательные частотные компоненты сигнала. Эти типы фильтров используются в различных радиочастотных схемах и системах обработки сигналов. На практике этот фильтр допускает более низкие частоты сигнала, которые ниже частоты среза. Схема фильтра верхних частот Эта схема аналогична схеме фильтра нижних частот, за исключением того, что резистор и конденсатор заменены местами, как показано на рисунке ниже.Схема фильтра верхних частот Два пассивных элемента, резистор и конденсатор соединены последовательно, чтобы обеспечить частоты выше, чем частота среза сигнала. Выходное напряжение сигнала получается на резисторе путем подачи входного напряжения на конденсатор. Этот тип фильтра относится к схеме фильтра верхних частот первого порядка. Фильтр высоких частот второго порядка представляет собой не что иное, как каскадное соединение двух последовательно соединенных цепей RC-фильтра верхних частот. Увеличение коэффициента усиления полосы пропускания в фильтре верхних частот второго порядка будет со скоростью + 40 дБ / декаду. Пассивный RC HPC Схема пассивного RC фильтра верхних частот может быть спроектирована в двух комбинациях, таких как резистор и конденсатор (пассивный RC HPF); резистор и индуктор (пассивный RL HPF) в зависимости от приложения. Пассивный RC HPF используется для аудио- или низкочастотных диапазонов. Пассивные цепи RL HPF используются для приложений в радиочастотном или высокочастотном диапазонах. Схема фильтра верхних частот также называется пассивным RC-фильтром верхних частот из-за использования таких пассивных элементов, как резистор и конденсатор. Основное преимущество состоит в том, что нет необходимости применять какой-либо внешний источник питания или какие-либо компоненты усиления. Пассивный RC HPF представляет собой простую схему RC HPF, как показано на рисунке выше. Конденсатор и резистор соединены последовательно, и на резисторе создается выходное напряжение. Из-за реактивного сопротивления конденсатора фильтр пропускает только высокие частоты сигнала, превышающие частоту среза, и блокирует более низкие частоты сигнала ниже частоты среза. Характеристики Эти характеристики фильтра верхних частот объясняются с точки зрения частотной характеристики и фазового сдвига выходного сигнала. Идеальные характеристики Основная характеристика HPF заключается в том, что он пропускает все высокочастотные компоненты, превышающие частоту среза, и ослабляет все низкие частоты. сигнала, которые ниже частоты среза. Идеальные характеристики HPF показаны ниже. Полоса пропускания, называемая HPF, позволяет использовать более высокие частоты, превышающие частоту среза. Этот фильтр ослабляет низкие частоты, что называется полосой задерживания.Идеальные характеристики фильтра высоких частот Частотная характеристика Частота выходного сигнала прямо пропорциональна усилению. По мере увеличения частоты усиление увеличивается. Частотная характеристика RC-фильтра верхних частот зависит от реактивного сопротивления конденсатора. Конденсатор создает необходимое реактивное сопротивление или высокое реактивное сопротивление для ослабления низких частот сигнала, то есть ниже частоты среза. При низком реактивном сопротивлении конденсатора RC-фильтр верхних частот пропускает высокочастотные компоненты сигнала, то есть превышающие частоту среза. Но на практике RC-фильтр высоких частот пропускает низкие частоты ниже его частоты среза. Коэффициент усиления RC-фильтра верхних частот становится равным единице, когда реактивное сопротивление низкое / нулевое на высоких частотах. То есть выходное напряжение совпадает с заданным входным напряжением. Чтобы разрешить высокие частоты и отклонить низкие частоты, емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты, что приводит к увеличению выходного напряжения и усиления. Емкостное реактивное сопротивление определяется как Xc = 1 / 2πfc, где fc = частота среза в Гц, Xc = емкостное реактивное сопротивление Частотная характеристика и фазовые характеристики RC-фильтра верхних частот показаны ниже.Характеристики RC HPF Из рисунка видно, что низкие частоты блокируются / отклоняются и увеличивают выходное напряжение на +20 дБ / декаду, когда частота находится на частоте среза и R = Xc. RC-фильтр верхних частот позволяет использовать высокие частоты (от частоты среза до бесконечности), когда выходное напряжение составляет 0.7071 или 70.71% от входного напряжения, то есть при -3 дБ входного и выходного уровней (путем расчета 20 log Vout / Vin). Это означает, что частотная характеристика HPF такова, что разрешены высокочастотные сигналы от частоты среза до бесконечности. На частоте среза фазовый сдвиг входного и выходного сигналов одинаков, т. Е. Под углом 45 °. Когда частота сигнала больше, чем частота среза, фазовый угол равен нулю. Это означает, что выходной сигнал находится в фазе по отношению к входному сигналу на высоких частотах. Время, необходимое для зарядки и разрядки конденсатора, выражается в форме постоянной времени, обозначаемой 'τ'. Постоянная времени RC фильтра верхних частот задается как τ = RC = 1 / 2πfcω = 1 / τ = 1 / RC Частота среза RC HPF задается как, fc = 1 / 2πRC Фазовый сдвиг RC HPF равен задано как Φ = tan-1 (1 / 2πfRC) Где 'fc' = частота среза в Гц 'f' = рабочая частота в Гц 'R' = значение сопротивления в омах 'C' = значение конденсатора в фарадах High Pass Фильтр с использованием операционного усилителя Фильтр высоких частот с использованием операционного усилителя очень легко спроектировать и реализовать, поскольку он использует ограниченное количество. электронных компонентов и удаляет шум и гул. Принципиальная схема фильтра верхних частот с использованием операционного усилителя показана ниже. Пассивный RC HPF подключен к неинвертирующему операционному усилителю для усиления и управления усилением напряжения.Фильтр высоких частот с использованием операционного усилителя Выход ограничен характеристиками разомкнутого контура операционного усилителя. Выход RC HPF подается на операционный усилитель для усиления и управления коэффициентом усиления выходного сигнала по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению фильтра высоких частот, использующего операционный усилитель, определяется как Aᵥ = Vout / Vin = Af (f / fc) / √ (1+ (f / fc) 2) Где Av = усиление напряжения в дБ = 1 + R2 / R1Af = усиление полосы пропускания fc = частота среза в Гц f = рабочая частота в Гц Когда f <fc (низкие частоты) , тогда Vout / Vin <Af, когда f = fc (на частоте среза), тогда Vout / Vin = Af / 2 ^ ½ = 0.7071Af, когда f> fc (высокие частоты), тогда Vout / Vin = Af Полоса пропускания с обратной связью Операционный усилитель определяет самую высокую частоту HPF, которая имеет постоянное усиление полосы пропускания Af. Величина усиления по напряжению задается как Av (дБ) = 20 log (Vout / Vin) -3 дБ = 20 log (0.707 Vout / Vin Активный фильтр верхних частот Если RC-фильтр верхних частот подключен к активному элементу, например, операционному усилителю, чтобы пропускать высокие частоты и отклонять низкие частоты, то он называется активным HPF. Частотная характеристика и фазовый сдвиг активного HPF такие же, как у RC HPF. Назначение активного фильтра верхних частот - контролировать усиление напряжения и усиливать выходной сигнал. Принципиальная схема активного фильтра верхних частот для усиления показана ниже.Активный фильтр высоких частот для усиления Схема RC HPF подключена к неинвертирующему операционному усилителю. Выходной сигнал и частота среза пассивного фильтра верхних частот регулируются операционным усилителем. Где характеристики полосы пропускания и усиления операционного усилителя определяют частоту среза. Этот тип фильтра действует как полосовой фильтр. Операционный усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала, и коэффициент усиления выходного напряжения полосы пропускания задается как 1 + R2 / R1, что совпадает с фильтром нижних частот. Передаточная функция Чтобы получить передаточную функцию фильтра верхних частот, мы будем Рассмотрим пассивную RC-схему HPF, как показано выше. В приведенной выше схеме Vo = выходное напряжение на резисторе Vi = входное напряжение, приложенное к конденсатору Принимая преобразование Лапласа как на входе, так и на выходе, H (s) = Vₒ (s) / Vᵢ (s) H (s) = R / (R + (1 / sC)) Приведенное выше уравнение принимает вид H (s) = sCR / (1 + sCR). Подставляя s = jw в приведенное выше уравнение, H (jω) = jωCR / (1 + jωCR) Тогда уравнение принимает вид Величина передаточной функции HPF представлена ​​как | H (jω) | = ωCR / √ (1+ (ωCR) ^ 2) Если ω = 0, то передаточная функция HPF = 0 Если ω = 1 / CR, тогда передаточная функция HPF = 0.707 Если ω = бесконечность, то передаточная функция HPF = 1 Следовательно, приведенные выше характеристики передаточной функции показывают, что пассивный RC-фильтр верхних частот может пропускать высокие частоты от частоты среза до i бесконечность. то есть изменяется от 0 до 1, если ω изменяется от 0 до бесконечности. HPF Баттерворта Фильтр высоких частот Баттерворта является одним из типов HPF, который обеспечивает плоскую частотную характеристику в полосе пропускания. Благодаря плоской АЧХ не будет ряби. Он также известен как плоский-плоский фильтр, используемый в различных приложениях, где коэффициент усиления полосы пропускания с обратной связью равен единице. Принципиальная схема и частотная характеристика фильтра верхних частот Баттерворта первого порядка показаны ниже. Их очень легко и просто разработать.Баттерворт HPF Коэффициент усиления увеличивается со скоростью +20 дБ / декаду для HPF Баттерворта первого порядка, а для HPF Баттерворта второго порядка он будет составлять + 40 дБ / декаду.Характеристики HPF Баттерворта Применения Применения фильтров верхних частот: громкоговорители для усиления сигналов, обработка изображений, используемые для усиления постоянного тока и для связи по переменному току, системы управления и системы обработки звука. DSL-сплиттеры в телефонах, RF приложения. - определение, схема, ФВЧ Баттерворта, ФВЧ с использованием операционного усилителя и его приложения. Вот вам вопрос: «Каковы преимущества и недостатки фильтров высоких частот?»

Оставить сообщение 

Список сообщений