Elektronické filtre sú obvody, ktoré riadia, ktoré frekvencie prechádzajú a ktoré sú blokované, čím udržujú signály jasné a spoľahlivé. Používajú sa v energetických systémoch, audio zariadeniach, komunikačných spojeniach a zbere údajov. Tento článok podrobne vysvetľuje typy filtrov, výrazy, rodiny odpovedí, kroky návrhu a aplikácie.
Č. 9. Kroky v procese návrhu filtra
Elektronický filter skončilview
Elektronický filter je obvod, ktorý riadi, ktoré časti signálu sa uchovávajú a ktoré sa redukujú. Funguje to tak, že nechá prejsť užitočné frekvencie a oslabí tie, ktoré nie sú potrebné. V energetických systémoch filtre odstraňujú nežiaduci hluk a udržiavajú stabilný prísun elektriny. Pri zvuku upravujú kvalitu zvuku a oddeľujú rozsahy, ako sú basy a výšky. V komunikácii filtre pomáhajú signálom zostať jasné a presné. Bez nich by mnohé systémy nefungovali hladko a spoľahlivo.
Základné typy elektronických filtrov
Dolný priepustný filter (LPF)
LPF prenáša signály pod medznú frekvenciu a tlmí vyššie. Vyhladzuje výstupy napájacieho zdroja, odstraňuje šum v zvuku a zabraňuje aliasingu v digitálnych obvodoch. Bežným príkladom je jednoduchý RC filter.
Hornopriepustný filter (HPF)
HPF prechádza frekvenciami nad hraničnou hodnotou a blokuje nižšie. Používa sa vo zvuku pre výškové reproduktory, v AC väzbe na odstránenie DC offsetu a v nástrojoch na zníženie driftu. Sériový kondenzátor na vstupe zosilňovača je základná forma.
Pásmový filter (BPF)
BPF umožňuje prechod iba zvolenému frekvenčnému pásmu, zatiaľ čo ostatné odmieta. Je nevyhnutný v rádiových prijímačoch, bezdrôtovej komunikácii a zdravotníckych zariadeniach, ako je EKG. Klasickým príkladom je LC ladený obvod v FM rádiách.
Band-Stop / zárezový filter (BSF)
BSF tlmí úzke pásmo frekvencií, zatiaľ čo prechádza frekvenciami nad a pod. Odstraňuje hučanie v zvuku, ruší rušenie v komunikácii a odmieta šum v nástrojoch. Zárezový filter s dvojitým T je známy dizajn.
Podrobnosti o terminológii filtra
Priechodné pásmo
Priepustné pásmo je frekvenčný rozsah, ktorý filter umožňuje prejsť s minimálnym útlmom. Napríklad v telefónii sa zachová hlasové pásmo 300 Hz až 3,4 kHz, takže reč zostáva čistá. Široký, plochý priepustný pás zaisťuje, že požadované signály si zachovajú svoju pôvodnú silu a kvalitu.
Brzdné pásmo
Stopband je rozsah frekvencií, ktoré filter silne tlmi, aby blokoval nežiaduce signály alebo šum. Táto oblasť je základná na zabránenie rušeniu, skresleniu alebo aliasingu kontaminácii užitočného signálu. Čím hlbší je útlm stopného pásma, tým účinnejší je filter pri odmietaní nežiaducich frekvencií.
Medzná frekvencia (fc)
Medzná frekvencia označuje hranicu medzi priepustným pásmom a brzdným pásmom. Vo väčšine dizajnov filtrov, ako je napríklad Butterworthov filter, je definovaný ako frekvencia, pri ktorej signál klesá o -3 dB od úrovne priepustného pásma. Tento bod slúži ako referencia pre navrhovanie a ladenie filtrov tak, aby spĺňali systémové požiadavky.
Prechodové pásmo
Prechodové pásmo je oblasť sklonu, kde sa výstup filtra posúva z priepustného pásma do zastavného pásma. Užšie prechodové pásmo označuje ostrejší, selektívnejší filter, ktorý je žiaduci v aplikáciách, ako je oddelenie kanálov v komunikačných systémoch. Ostrejšie prechody často vyžadujú zložitejšie konštrukcie filtrov alebo obvody vyššieho rádu.
Bodeho grafy vo filtroch
Graf magnitúdy
Graf magnitúdy zobrazuje zisk filtra (v decibeloch) v porovnaní s frekvenciou. Napríklad v dolnopriepustnom filtri zostáva odozva plochá okolo 0 dB v priepustnom pásme, potom sa začne kotúľať po medznej frekvencii, čo naznačuje útlm vyšších frekvencií. Strmosť tohto odklonu závisí od poradia filtra: filtre vyššieho rádu poskytujú ostrejšie prechody medzi priepustným pásmom a dorazovým pásmom. Grafy magnitúdy uľahčujú zistenie, ako dobre filter blokuje nežiaduce frekvencie pri zachovaní požadovaného rozsahu.
Fázový graf
Fázový graf ukazuje, ako filter posúva fázu signálov na rôznych frekvenciách. Toto je miera oneskorenia signálu. Pri nízkych frekvenciách je fázový posun často minimálny, ale so zvyšujúcou sa frekvenciou okolo medznej hodnoty filter zavádza väčšie oneskorenie. Fázová odozva je základná v časovo citlivých systémoch, ako je spracovanie zvuku, komunikačné spojenia a riadiace systémy, kde aj malé chyby časovania môžu ovplyvniť výkon.
Poradie filtrov a roll-off
| Poradie filtrov | Póly/nuly | Miera roll-off | Popis |
|---|---|---|---|
| 1. objednávka | Jedna tyč | \~20 dB/dekáda | Základný filter s postupným útlmom. |
| 2. objednávka | Dva póly | \~40 dB/dekáda | Ostrejšia hranica v porovnaní s 1. rádom. |
| 3. objednávka | Tri póly | \~60 dB/dekáda | Silnejší útlm, selektívnejší. |
| N-tá objednávka | N póly | N × 20 dB/desaťročie | Vyšší rád poskytuje strmší rozjazd, ale zvyšuje zložitosť obvodu. |
Základy pasívneho filtra
RC filtre
RC filtre sú najjednoduchšou pasívnou konštrukciou, ktorá používa kombináciu rezistora a kondenzátora. Najbežnejšou formou je RC dolnopriepustný filter, ktorý umožňuje priechod nízkych frekvencií pri útlme vyšších frekvencií. Jeho medzná frekvencia je daná:
fc =
Sú najlepšie na vyhladzovanie signálov v napájacích zdrojoch, odstraňovanie vysokofrekvenčného šumu a poskytovanie základnej úpravy signálu v audio alebo senzorových obvodoch.
RL filtre
RL filtre používajú rezistor a induktor, vďaka čomu sú vhodnejšie pre obvody, ktoré zvládajú väčšie prúdy. Dolný priepustný filter RL môže vyhladzovať prúd v energetických systémoch, zatiaľ čo hornopriepustný filter RL je účinný pri blokovaní jednosmerného prúdu pri prechode striedavých signálov. Pretože induktory odolávajú zmenám prúdu, RL filtre sa často vyberajú v aplikáciách, kde je dôležitá manipulácia s energiou a účinnosť.
RLC filtre
RLC filtre kombinujú rezistory, induktory a kondenzátory, aby vytvorili selektívnejšie odozvy. V závislosti od usporiadania komponentov môžu siete RLC vytvárať pásmové filtre alebo zárezové filtre. Tie sú potrebné pri ladení rádiových prijímačov, oscilátorov a komunikačných obvodov, kde záleží na frekvenčnej presnosti.
Typy rodín odozv filtrov
Butterworthov filter
Butterworthov filter je cenený pre svoju hladkú a plochú odozvu priepustného pásma bez zvlnenia. Poskytuje prirodzený výstup bez skreslenia, vďaka čomu je vynikajúci pre zvuk a filtrovanie. Jeho nevýhodou je mierna miera roll-off v porovnaní s inými rodinami, čo znamená, že je menej selektívny, keď je potrebná ostrá hranica.
Besselov filter
Besselov filter je navrhnutý pre presnosť v časovej oblasti, ponúka takmer lineárnu fázovú odozvu a minimálne skreslenie priebehu. Vďaka tomu je najlepší pre aplikácie, ako je dátová komunikácia alebo zvuk, kde sa vyžaduje zachovanie tvaru signálu. Jeho frekvenčná selektivita je slabá, takže nedokáže tak efektívne odmietnuť nežiaduce signály v okolí.
Čebyševov filter
Čebyševov filter poskytuje oveľa rýchlejšie odvaľovanie ako Butterworth, čo umožňuje strmšie prechody s menším počtom komponentov. Dosahuje to tým, že umožňuje kontrolované zvlnenie v priepustnom pásme. Aj keď je zvlnenie efektívne, môže skresliť citlivé signály, takže je menej vhodné pre presný zvuk.
Eliptický filter
Eliptický filter ponúka najstrmšie prechodové pásmo pre najmenší počet komponentov, vďaka čomu je mimoriadne efektívny pre úzkopásmové aplikácie. Kompromisom je zvlnenie v priepustnom aj brzdnom pásme, čo môže ovplyvniť vernosť signálu. Napriek tomu sa eliptické konštrukcie často používajú v RF a komunikačných systémoch, kde sa vyžaduje ostré prerušenie.
Charakteristiky filtra: f₀, čiernobielo a q
• Stredová frekvencia (f₀): Toto je frekvencia v strede pásma, ktorou filter prechádza alebo blokuje. Zistí sa vynásobením dolnej medznej frekvencie a hornej medznej frekvencie, potom druhou odmocninou.
• Šírka pásma (BW): Toto je veľkosť rozsahu medzi hornou a dolnou medznou frekvenciou. Menšia šírka pásma znamená, že filter umožňuje iba úzky rozsah frekvencií, zatiaľ čo väčšia šírka pásma znamená, že pokrýva viac.
• Faktor kvality (Q): Hovorí o tom, aký ostrý alebo selektívny je filter. Vypočíta sa vydelením stredovej frekvencie šírkou pásma. Vyššia hodnota Q znamená, že filter sa zaostruje tesnejšie okolo stredovej frekvencie, zatiaľ čo nižšia hodnota Q znamená, že pokrýva širší rozsah.
Kroky v procese návrhu filtra
• Definujte požiadavky, ako je medzná frekvencia, veľkosť útlmu potrebného pre nežiaduce signály, prijateľná úroveň zvlnenia v priepustnom pásme a limity pre skupinové oneskorenie. Tieto špecifikácie tvoria základ pre dizajn.
• Vyberte typ filtra v závislosti od cieľa: dolnopriepustný pre povolenie nízkych frekvencií, hornopriepustný pre povolenie vysokých frekvencií, pásmový prechod na povolenie rozsahu alebo band-stop na blokovanie rozsahu.
• Vyberte skupinu odpovedí, ktorá najlepšie vyhovuje aplikácii. Butterworth ponúka plochý priepustný pás, Bessel zachováva presnosť času, Čebyšev poskytuje ostrejšie odvaľovanie a eliptický poskytuje najstrmší prechod s kompaktným dizajnom.
• Vypočítajte poradie filtra, ktoré určuje, ako strmo môže tlmiť nežiaduce frekvencie. Filtre vyššieho rádu poskytujú silnejšiu selektivitu, ale vyžadujú viac komponentov.
• Vyberte topológiu na implementáciu návrhu. Pasívne RC filtre sú jednoduché, aktívne filtre operačného zosilňovača umožňujú zosilnenie a vyrovnávaciu pamäť a digitálne filtre FIR alebo IIR sú široko používané v modernom spracovaní.
• Pred zostavením filtra simulujte a prototypujte. Simulácie a Bodeove grafy pomáhajú potvrdiť výkon, zatiaľ čo prototypy overujú, či filter v praxi spĺňa definované požiadavky.
Aplikácie filtrov v elektronike
Audio elektronika
Filtre tvarujú zvuk v ekvalizéroch, výhybkách, syntetizátoroch a obvodoch slúchadiel. Riadia frekvenčné vyváženie, zlepšujú čistotu a zabezpečujú plynulý tok signálu v spotrebiteľských aj profesionálnych audio zariadeniach.
Energetické systémy
Harmonické filtre a filtre na potlačenie EMI sú nevyhnutné v motorových pohonoch, systémoch UPS a výkonových meničoch. Chránia citlivé zariadenia, zlepšujú kvalitu energie a znižujú elektromagnetické rušenie.
Získavanie údajov
Pred analógovo-digitálnymi prevodníkmi (ADC) sa používajú vyhladzovacie filtre, aby sa zabránilo skresleniu signálu. V biomedicínskych prístrojoch, ako sú EEG a EKG monitory, filtre extrahujú zmysluplné signály odstránením nežiaduceho šumu.
Komunikácia
Pásmové a pásmové filtre sú základom RF systémov. Definujú frekvenčné kanály v Wi-Fi, mobilných sieťach a satelitnej komunikácii, čo umožňuje čistý prenos signálu a zároveň odmieta rušenie.
Záver
Filtre sú základom pri tvarovaní signálov pre čistý zvuk, stabilné napájanie, presné údaje a spoľahlivú komunikáciu. Pochopením ich typov, pojmov a metód návrhu je jednoduchšie vybrať alebo vytvoriť filtre, ktoré udržiavajú systémy presné a efektívne.
často kladené otázky
Otázka 1. Aký je rozdiel medzi aktívnymi a pasívnymi filtrami?
Aktívne filtre používajú operačné zosilňovače a môžu zosilňovať signály, zatiaľ čo pasívne filtre používajú iba rezistory, kondenzátory a induktory bez zisku.
Otázka 2. Ako sa digitálne filtre líšia od analógových filtrov?
Analógové filtre spracúvajú kontinuálne signály s komponentmi, zatiaľ čo digitálne filtre používajú algoritmy na vzorkovaných signáloch v DSP alebo softvéri.
Otázka 3. Prečo sa v komunikačných systémoch používajú filtre vyššieho rádu?
Poskytujú ostrejšie medzné hodnoty, čo umožňuje lepšie oddelenie tesne rozmiestnených kanálov a znižuje rušenie.
Štvrťrok 4. Aká je úloha filtrov v senzoroch?
Filtre odstraňujú nežiaduci šum, takže senzory poskytujú čisté a presné signály.
Otázka 5. Prečo je potrebná stabilita filtra?
Nestabilné filtre môžu oscilovať alebo skresľovať signály, takže stabilita zaisťuje spoľahlivý výkon.
Otázka 6. Dajú sa filtre vyladiť?
Áno. Laditeľné filtre upravujú svoju medznú alebo stredovú frekvenciu, ktorá sa používa v rádiách a adaptívnych systémoch.