Što je visokopropusni filtar: rad i njegove primjene

Filtri su elektronički sklopovi koji dopuštaju određene frekvencijske komponente i prigušuju neželjene frekvencijske komponente ulaznog signala. Oni se nalaze u raznim elektroničkim aplikacijama kako bi se omogućio određeni raspon frekvencija signala. U osnovi, filtri su podijeljeni u dvije vrste na temelju vrste komponenti koje se koriste u projektiranju i radu. To su pasivni i aktivni filtri. Ovisno o rasponu frekvencija, filtri su kategorizirani u 4 vrste. To su niskopropusni filtri, visokopropusni filtri, pojasni filteri i filteri za zaustavljanje pojasa. Ovaj članak opisuje visokopropusni filtar koji se može koristiti i kao aktivni i kao pasivni filtar. Što je visokopropusni filter? Filter ima sposobnost dopuštanja visokofrekventnih komponenti signala i prigušuje sve komponente niske frekvencije signal, poznat je kao visokopropusni filter. Može dopustiti visokofrekventne komponente veće od granične frekvencije i odbija sve ostale neželjene frekvencijske komponente signala. Ove vrste filtara nalaze se u raznim RF krugovima i sustavima za obradu signala. U praksi će ovaj filtar omogućiti niže frekvencije signala, što je niže od granične frekvencije. Krug visokopropusnog filtraOvaj krug je isti kao i krug niskopropusnog filtra, osim što su komponentni otpornik i kondenzator izmijenjeni kao što je prikazano na donjoj slici.Krug visokopropusnog filtraDva pasivna elementa, otpornik i kondenzator spojeni su u serijsku kombinaciju kako bi se omogućile frekvencije veće od granične frekvencije signala. Izlazni napon signala dobiva se na otporniku primjenom ulaznog napona na kondenzator. Ova vrsta filtera spada u krug visokopropusnog filtera prvog reda. HPF drugog reda nije ništa drugo nego kaskadni niz od dva RC visokopropusna filterska kruga u nizu. Povećanje pojačanja propusnog pojasa u HPF-u drugog reda bit će po stopi od +40dB/desetljeću. Pasivni RC HPC Pasivni RC visokopropusni filtarski krug može se dizajnirati u dvije kombinacije poput otpornika i kondenzatora (pasivni RC HPF); otpornik i induktor (pasivni RL HPF) na temelju primjene. Pasivni RC HPF koristi se za aplikacije u audio ili niskofrekventnim rasponima. Pasivni RL HPF krugovi koriste se za primjene u RF ili visokofrekventnim rasponima. Krug visokopropusnog filtra naziva se i pasivni RC visokopropusni filter zbog upotrebe pasivnih elemenata poput otpornika i kondenzatora. Glavna prednost je u tome što nema potrebe za primjenom bilo kakvog vanjskog napajanja ili bilo koje komponente za pojačavanje. Pasivni RC HPF je jednostavan RC HPF krug kao što je prikazano na gornjoj slici. Kondenzator i otpornik spojeni su u seriju gdje se izlazni napon razvija preko otpornika. Zbog reaktancije kondenzatora, filtar dopušta samo visoke frekvencije signala veće od granične frekvencije i blokira niže frekvencije signala ispod granične frekvencije. Karakteristike Ove karakteristike visokopropusnog filtera objašnjene su u smislu frekvencijskog odziva i faznog pomaka izlaznog signala. Idealne karakteristike Glavna karakteristika HPF-a je da dopušta sve visokofrekventne komponente veće od granične frekvencije i prigušuje sve niske frekvencije signala, koji su niži od granične frekvencije. Idealne karakteristike HPF-a prikazane su u nastavku. Propusni pojas se naziva HPF dopušta više frekvencije koje su veće od granične frekvencije. Ovaj filtar prigušuje niske frekvencije, što se naziva zaustavni pojas.Idealne karakteristike visokopropusnog filtera Frekvencijski odziv Frekvencija izlaznog signala izravno je proporcionalna pojačanju. Kako se frekvencija povećava, pojačanje se povećava. Frekvencijski odziv RC visokopropusnog filtra ovisi o reaktanciji kondenzatora. Kondenzator proizvodi potrebnu količinu reaktancije ili visoke reaktancije da priguši niske frekvencije signala, tj. ispod granične frekvencije. Pri niskom reaktantu kondenzatora, visokopropusni filtar RC dopušta visokofrekventne komponente signala, tj. Veće od granične frekvencije. Ali, praktički, RC visokopropusni filtar dopušta niske frekvencije ispod svoje granične frekvencije. Pojačanje visokopropusnog filtera RC postaje jedinica kada je reaktancija niska/nula na visokim frekvencijama. To jest, izlazni napon je isti kao zadani ulazni napon. Kako bi se dopustile visoke frekvencije i odbile niske frekvencije, kapacitivna reaktancija opada s povećanjem frekvencije, što rezultira povećanjem izlaznog napona i pojačanja. Kapacitivna reaktancija je data kao, Xc = 1/2πfc, gdje je 'fc' = granična frekvencija u Hz, 'Xc' = kapacitivna reaktancija. Frekvencijski odziv i karakteristike faznog pomaka RC visokopropusnog filtra su prikazane u nastavku.Karakteristike RC HPF-a Na slici možemo primijetiti da su niske frekvencije blokirane/odbijene i povećavaju izlazni napon za +20dB/dekada kada je frekvencija na graničnoj frekvenciji i R=Xc. RC visokopropusni filtar dopušta visoke frekvencije (od granične frekvencije do beskonačnosti) kada je izlazni napon 0.7071 ili 70.71% njegovog ulaznog napona, tj. na -3dB ulazne i izlazne razine (izračunavanjem 20 log Vout/Vin). To znači da je frekvencijski odziv HPF-a, visokofrekventni signali dopušteni od granične frekvencije do beskonačnosti. Na graničnoj frekvenciji, fazni pomak ulaznog signala i izlaznog signala su isti, tj. na 45°. Kada je frekvencija signala veća od granične frekvencije, fazni kut je nula. To znači da je izlazni signal u fazi u odnosu na ulazni signal na visokim frekvencijama. Vrijeme potrebno za punjenje i pražnjenje kondenzatora izraženo je u obliku vremenske konstante, označene s 'τ'. Vremenska konstanta RC visokopropusnog filtra je data kao τ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RC Granična frekvencija RC HPF-a je data kao, fc= 1/2πRC Fazni pomak RC HPF-a je zadano kao Φ=tan-1 (1/2πfRC)Gdje je 'fc' = granična frekvencija u Hz'f' = radna frekvencija u Hz'R' = vrijednost otpora u omima'C'= vrijednost kondenzatora u FaradsHigh Pass Filtriranje pomoću op-pojačala Visokopropusni filtar pomoću op-pojačala vrlo je jednostavno projektirati i implementirati jer koristi ograničeno br. elektroničkih komponenti i uklanja šum i šum. Dijagram strujnog kruga visokopropusnog filtra koji koristi op-amp je prikazan u nastavku. Pasivni RC HPF spojen je na neinvertirajuće op-pojačalo za pojačanje i kontrolu pojačanja napona.Visokopropusni filtar koji koristi op-pojačaloIzlaz je ograničen karakteristikama otvorene petlje op-pojačala. Izlaz RC HPF-a se primjenjuje na op-pojačalo za pojačanje i kontrolu pojačanja napona izlaznog signala. Pojačanje napona visokopropusnog filtra koji koristi Op-amp je dano kao Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2)Gdje je Av= pojačanje napona u dB= 1+R2/R1Af = pojačanje propusnog pojasafc= granična frekvencija u Hzf = radna frekvencija u HzKada je f < fc (niske frekvencije) , zatim Vout/Vin < AfKada je f = fc (na graničnoj frekvenciji), zatim Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfKada f > fc (visoke frekvencije), tada Vout/Vin = Af Širina pojasa zatvorene petlje od Op-amp određuje najvišu frekvenciju HPF-a, koji ima konstantno pojačanje propusnog pojasa Af. Veličina pojačanja napona je data kao Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout/Vin )Aktivni visokopropusni filtarAko je RC visokopropusni filtar spojen na aktivni element poput op-pojačala kako bi omogućio visoke frekvencije i odbio niske frekvencije, tada se naziva aktivnim HPF. Frekvencijski odziv i fazni pomak aktivnog HPF -a isti su kao i RC HPF. Svrha aktivnog visokopropusnog filtra je kontrolirati pojačanje napona i pojačati izlazni signal. Shema sklopa aktivnog visokopropusnog filtra za pojačanje prikazana je u nastavku.Aktivni HPF za pojačanje RC HPF krug je spojen na neinvertirajuće op-pojačalo. Izlaz i granična frekvencija pasivnog visokopropusnog filtra kontrolira se op-pojačalom. Tamo gdje karakteristike pojasa i pojasa op-amp-a određuju graničnu frekvenciju. Ova vrsta filtera djeluje kao propusni filtar. Op-pojačalo povećava amplitudu izlaznog signala, a pojačanje izlaznog napona propusnog pojasa daje se kao 1+R2/R1, što je isto kao i niskopropusni filtar. razmotrite pasivni RC HPF krug kao što je prikazano gore. Iz gornjeg kruga, Vo = izlazni napon na otporniku Vi = ulazni napon primijenjen na kondenzator Uzimajući Laplaceovu transformaciju i na ulaznoj i na izlaznoj strani, H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ (s) H (s) = R/(R+(1/sC)) Gornja jednadžba postaje, H (s) = sCR/(1+sCR) Zamjenom s = jw u gornjoj jednadžbi H (jω) = jωCR /(1+jωCR)Tada jednadžba postaje Veličina prijenosne funkcije HPF-a predstavljena je kao|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Ako je ω = 0, tada je prijenosna funkcija HPF-a = 0Ako ω = 1/CR, tada je HPF prijenosna funkcija = 0.707 Ako je ω = beskonačnost, tada je HPF prijenosna funkcija = 1 Stoga gore navedene karakteristike prijenosne funkcije pokazuju da pasivni RC visokopropusni filtar može dopustiti visoke frekvencije od granične frekvencije do i nfinity. tj. varira od 0 do 1 ako ω varira od 0 do beskonačnosti. Butterworthov HPF Butterworthov visokopropusni filtar je jedan od tipova HPF-a koji osigurava ravan frekvencijski odziv u propusnom pojasu. Zbog ravnog frekvencijskog odziva neće biti valovitosti. Također je poznat kao flat-flat filter, koji se koristi u raznim aplikacijama gdje je pojačanje propusnog pojasa u zatvorenoj petlji jedinica. Dijagram strujnog kruga i frekvencijski odziv Butterworthovog visokopropusnog filtra prvog reda prikazan je u nastavku. Oni su vrlo laki i jednostavni za dizajn.Butterworth HPF Pojačanje se povećava stopom od +20 dB/desetljeću za Butterworth HPF prvog reda, dok će za Butterworth HPF drugog reda iznositi +40 dB/desetljeću.Butterworth HPF karakteristike Primjena Primjena visokopropusnih filtara su zvučnici za pojačanje signala Obrada slike Koriste se za pojačanje istosmjerne struje i za spajanje na izmjeničnu struju. Upravljački sustavi i sustavi za obradu zvuka. DSL razdjelnici u telefonimaRF aplikacijama Dakle, ovdje se radi o pregledu visokopropusnog filtera (aktivnog i pasivnog tipa) - definicija, sklop, Butterworth HPF, HPF korištenjem Op-amp i njegove primjene. Evo vam pitanja: "Koje su prednosti i nedostaci visokopropusnih filtera?"

Ostavite poruku 

Lista Poruka