Čo je to hornopriepustný filter: práca a jeho aplikácie

Filtre sú elektronické obvody, ktoré umožňujú určité frekvenčné zložky a tlmia nežiaduce frekvenčné zložky vstupného signálu. Tieto sa nachádzajú v rôznych elektronických aplikáciách, ktoré umožňujú určitý rozsah frekvencií signálu. Filtre sú v zásade rozdelené do dvoch typov podľa typu komponentov použitých pri navrhovaní a prevádzke. Sú to pasívne filtre a aktívne filtre. V závislosti od rozsahu frekvencií sú filtre rozdelené do 4 typov. Sú to nízkopriepustné filtre, vysokopriepustné filtre, pásmové priepusty a pásmové zastavovacie filtre. Tento článok popisuje hornopriepustný filter, ktorý možno použiť ako aktívny filter aj pasívny filter. Čo je to vysokofrekvenčný filter? Filter má schopnosť povoliť vysokofrekvenčné zložky signálu a tlmí všetky nízkofrekvenčné zložky signálu. signál, je známy ako vysokopriepustný filter. Môže povoliť vysokofrekvenčné zložky vyššie ako medzná frekvencia a odmieta všetky ostatné nežiaduce frekvenčné zložky signálu. Tieto typy filtrov sa nachádzajú v rôznych RF obvodoch a systémoch spracovania signálu. V praxi tento filter umožní nižšie frekvencie signálu, ktoré sú nižšie ako medzná frekvencia. Obvod hornopriepustného filtra Tento obvod je rovnaký ako obvod dolnopriepustného filtra, okrem toho, že súčiastky odpor a kondenzátor sú zamenené, ako je znázornené na obrázku nižšie.Obvod hornopriepustného filtra Dva pasívne prvky rezistor a kondenzátor sú zapojené v sériovej kombinácii, aby umožnili frekvencie vyššie ako je medzná frekvencia signálu. Výstupné napätie signálu sa získa cez odpor privedením vstupného napätia na kondenzátor. Tento typ filtra patrí do okruhu hornopriepustného filtra prvého poriadku. HPF druhého rádu nie je nič iné ako kaskáda dvoch obvodov RC hornopriepustných filtrov v sérii. Nárast zosilnenia priepustného pásma v HPF druhého rádu bude rýchlosťou +40 dB/dekádu. Pasívny RC HPC Pasívny obvod RC hornopriepustného filtra môže byť navrhnutý v dvoch kombináciách ako odpor a kondenzátor (pasívny RC HPF); rezistor a induktor (pasívny RL HPF) na základe aplikácie. Pasívny RC HPF sa používa pre aplikácie v audio alebo nízkofrekvenčných rozsahoch. Pasívne obvody RL HPF sa používajú pre aplikácie vo vysokofrekvenčných alebo vysokofrekvenčných rozsahoch. Obvod hornopriepustného filtra sa tiež nazýva pasívny RC hornopriepustný filter kvôli použitiu pasívnych prvkov, ako sú odpor a kondenzátor. Hlavnou výhodou je, že nie je potrebné použiť žiadne externé napájanie ani žiadne zosilňovacie komponenty. Pasívny RC HPF je jednoduchý obvod RC HPF, ako je znázornené na obrázku vyššie. Kondenzátor a rezistor sú zapojené do série, kde sa výstupné napätie vyvíja cez odpor. Vzhľadom na reaktanciu kondenzátora filter umožňuje iba vysoké frekvencie signálu väčšieho ako medzná frekvencia a blokuje nižšie frekvencie signálu pod hraničnou frekvenciou. CharakteristikyTieto charakteristiky hornopriepustného filtra sú vysvetlené z hľadiska frekvenčnej odozvy a fázového posunu výstupného signálu.Ideálne vlastnostiHlavnou charakteristikou HPF je, že umožňuje, aby všetky vysokofrekvenčné zložky boli väčšie ako medzná frekvencia a tlmí všetky nízke frekvencie. signálu, ktoré sú nižšie ako medzná frekvencia. Ideálne charakteristiky HPF sú uvedené nižšie. Priepustné pásmo sa označuje ako HPF a umožňuje vyššie frekvencie, ktoré sú väčšie ako medzná frekvencia. Tento filter tlmí nízke frekvencie, ktoré sa označujú ako stop pásmo.Ideálne charakteristiky hornopriepustného filtra Frekvenčná odozva Frekvencia výstupného signálu je priamo úmerná zosilneniu. So zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšuje zisk. Frekvenčná odozva RC hornopriepustného filtra závisí od reaktancie kondenzátora. Kondenzátor vytvára požadované množstvo reaktancie alebo vysokej reaktancie na zoslabenie nízkych frekvencií signálu, tj pod medznú frekvenciu. Pri nízkej reaktancii kondenzátora umožňuje RC hornopriepustný filter vysokofrekvenčné zložky signálu, tj väčšie ako medzná frekvencia. Ale prakticky, RC hornopriepustný filter umožňuje nízke frekvencie pod jeho medznou frekvenciou. Zosilnenie RC hornopriepustného filtra sa stáva jednotným, keď je reaktancia nízka/nulová pri vysokých frekvenciách. To znamená, že výstupné napätie je rovnaké ako dané vstupné napätie. Aby sa umožnili vysoké frekvencie a odmietli nízke frekvencie, kapacitná reaktancia klesá so zvýšením frekvencie, čo má za následok zvýšenie výstupného napätia a zosilnenia. Kapacitná reaktancia je daná ako,Xc = 1/2πfc, kde 'fc' = medzná frekvencia v Hz'Xc'= kapacitná reaktancia Frekvenčná odozva a charakteristiky fázového posunu RC hornopriepustného filtra sú uvedené nižšie.Charakteristika RC HPF Z obrázku môžeme pozorovať, že nízke frekvencie sú blokované/odmietnuté a zvyšujú výstupné napätie o +20dB/dekádu, keď je frekvencia na medznej frekvencii a R=Xc. RC hornopriepustný filter umožňuje vysoké frekvencie (od medznej frekvencie po nekonečno), keď je výstupné napätie 0.7071 alebo 70.71 % jeho vstupného napätia, tj pri úrovni vstupu a výstupu -3dB (pri výpočte 20 log Vout/Vin). To znamená, že frekvenčná odozva HPF je, že vysokofrekvenčné signály sú povolené od medznej frekvencie do nekonečna. Pri medznej frekvencii je fázový posun vstupného signálu a výstupného signálu rovnaký, tj 45°. Keď je frekvencia signálu väčšia ako medzná frekvencia, fázový uhol je nula. To znamená, že výstupný signál je vo fáze vzhľadom na vstupný signál pri vysokých frekvenciách. Čas potrebný na nabitie a vybitie kondenzátora je vyjadrený vo forme časovej konštanty, označenej 'τ'. Časová konštanta RC hornopriepustného filtra je daná akoτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RC Medzná frekvencia RC HPF je daná ako, fc= 1/2πRCFázový posun RC HPF je uvedené ako Φ=tan-1 (1/2πfRC) kde 'fc' = medzná frekvencia v Hz'f' = prevádzková frekvencia v Hz'R' = hodnota odporu v ohmoch'C'= hodnota kondenzátora vo FaradsHigh Pass Filter s použitím operačného zosilňovača Hornopriepustný filter s použitím operačného zosilňovača sa veľmi ľahko navrhuje a implementuje, pretože používa obmedzený počet. elektronických súčiastok a odstraňuje hluk a bzučanie. Schéma zapojenia hornopriepustného filtra s použitím operačného zosilňovača je uvedená nižšie. Pasívny RC HPF je pripojený k neinvertujúcim operačným zosilňovačom na zosilnenie a riadenie zosilnenia napätia.Hornopriepustný filter využívajúci operačný zosilňovač Výstup je obmedzený charakteristikami s otvorenou slučkou operačného zosilňovača. Výstup RC HPF sa privádza do operačného zosilňovača na zosilnenie a riadenie napäťového zosilnenia výstupného signálu. Napäťové zosilnenie hornopriepustného filtra s použitím operačného zosilňovača je dané ako Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2)Kde Av= zosilnenie napätia v dB= 1+R2/R1Af = zosilnenie priepustného pásmafc= medzná frekvencia v Hzf = prevádzková frekvencia v HzKeď f < fc (nízke frekvencie) , potom Vout/Vin <Af Keď f = fc (pri medznej frekvencii), potom Vout/Vin = Af/2 ^½ = 0.7071Af Keď f> fc (vysoké frekvencie), potom Vout/Vin = Af Šírka pásma uzavretej slučky operačný zosilňovač určuje najvyššiu frekvenciu HPF, ktorá má konštantné zosilnenie priepustného pásma Af. Veľkosť zosilnenia napätia je daná ako Av(dB) = 20 log (Vout/Vin) -3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin )Aktívny hornopriepustný filterAk je RC hornopriepustný filter pripojený k aktívnemu prvku, ako je operačný zosilňovač, aby umožňoval vysoké frekvencie a odmietal nízke frekvencie, potom sa nazýva aktívny HPF. Frekvenčná odozva a fázový posun aktívneho HPF sú rovnaké ako RC HPF. Účelom aktívneho hornopriepustného filtra je riadiť zosilnenie napätia a zosilniť výstupný signál. Schéma zapojenia aktívneho hornopriepustného filtra na zosilnenie je uvedená nižšie.Aktívny HPF pre zosilnenie Obvod RC HPF je pripojený k neinvertujúcim operačným zosilňovačom. Výstup a medzná frekvencia pasívneho hornopriepustného filtra sú riadené operačným zosilňovačom. Kde charakteristiky šírky pásma a zisku operačného zosilňovača určujú medznú frekvenciu. Tento typ filtra funguje ako pásmový filter. Operačný zosilňovač zvyšuje amplitúdu výstupného signálu a zosilnenie výstupného napätia priepustného pásma je dané ako 1+R2/R1, čo je rovnaké ako v prípade dolnopriepustného filtra. Funkcia prenosuNa odvodenie funkcie prenosu horného priepustu zvážte pasívny obvod RC HPF, ako je znázornené vyššie. Z vyššie uvedeného obvodu, Vo = výstupné napätie na rezistoreVi = vstupné napätie aplikované na kondenzátor Pri použití Laplaceovej transformácie na vstupnej aj výstupnej strane, H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC))Vyššie uvedená rovnica sa stáva,H(s)=sCR/(1+sCR)Nahradením s=jw vo vyššie uvedenej rovniciH(jω)=jωCR /(1+jωCR)Potom sa rovnica stáva Veľkosť prenosovej funkcie HPF je reprezentovaná ako|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Ak ω = 0, potom funkcia prenosu HPF = 0Ak ω = 1/CR, potom funkcia prenosu HPF = 0.707 Ak ω = nekonečno, potom funkcia prenosu HPF = 1. Vyššie uvedené charakteristiky prenosovej funkcie teda ukazujú, že pasívny RC hornopriepustný filter umožňuje vysoké frekvencie od medznej frekvencie po i nfinity. tj mení sa od 0 do 1, ak sa ω mení od 0 do nekonečna. Butterworth HPFHornopriepustný filter Butterworth je jedným z typov HPF, ktorý poskytuje plochú frekvenčnú odozvu v priepustnom pásme. Vďaka jeho plochej frekvenčnej odozve nebude dochádzať k žiadnemu vlneniu. Je tiež známy ako plochý filter, ktorý sa používa v rôznych aplikáciách, kde je zisk v uzavretej slučke priepustného pásma jednotný. Schéma zapojenia a frekvenčná odozva Butterworthovho hornopriepustného filtra prvého rádu je uvedená nižšie. Sú veľmi jednoduché a jednoducho sa navrhujú.Butterworth HPFZisk sa zvyšuje rýchlosťou +20dB/dekádu pre Butterworth HPF prvého rádu a zatiaľ čo pre Butterworth HPF druhého rádu to bude +40dB/dekádu.Butterworth HPF CharakteristikaAplikácieAplikácie hornopriepustných filtrov sú Reproduktory na zosilnenie signálov Spracovanie obrazuPoužívané pri zosilňovaní jednosmerného prúdu a pre AC väzbu Riadiace systémy a systémy spracovania zvuku.DSL rozbočovače v telefónochRF aplikácieTo je teda všetko o prehľade hornopriepustných filtrov (aktívneho aj pasívneho typu) - definícia, obvod, Butterworth HPF, HPF s použitím operačného zosilňovača a jeho aplikácie. Tu je otázka pre vás: Aké sú výhody a nevýhody vysokopriepustných filtrov?

Zanechajte správu 

zoznam správ