Що таке фільтр високих частот: робота та його застосування

Фільтри – це електронні схеми, які дозволяють використовувати певні частотні компоненти та ослабляють небажані частотні компоненти вхідного сигналу. Вони зустрічаються в різних електронних програмах для забезпечення певного діапазону частот сигналу. В основному фільтри поділяються на два типи залежно від типу компонентів, які використовуються при проектуванні та експлуатації. Це пасивні фільтри та активні фільтри. Залежно від діапазону частот фільтри поділяються на 4 типи. Це фільтри низьких частот, фільтри високих частот, смугові фільтри та смугові фільтри. У цій статті описується фільтр високих частот, який можна використовувати як як активний, так і як пасивний фільтр. Що таке фільтр високих частот? Фільтр має здатність дозволяти високочастотні компоненти сигналу та послаблює всі низькочастотні компоненти сигналу. сигнал, відомий як фільтр високих частот. Він може дозволити високочастотним компонентам більше, ніж частота зрізу, і відхиляє всі інші небажані частотні компоненти сигналу. Ці типи фільтрів зустрічаються в різних радіочастотних схемах і системах обробки сигналів. На практиці цей фільтр буде допускати більш низькі частоти сигналу, які нижчі від граничної частоти. Схема фільтра високих частотЦя схема така ж, як і схема фільтра нижніх частот, за винятком того, що компоненти резистор і конденсатор замінені місцями, як показано на малюнку нижче.Схема фільтра високих частотДва пасивні елементи, резистор і конденсатор, з'єднані послідовно, щоб дозволити частоти вище, ніж частота зрізу сигналу. Вихідна напруга сигналу отримується на резисторі шляхом подачі вхідної напруги на конденсатор. Цей тип фільтра відноситься до схеми фільтра високих частот першого порядку. ФВЧ другого порядку - це не що інше, як каскад з двох послідовних схем RC-фільтрів високих частот. Збільшення коефіцієнта підсилення смуги пропускання у ФВЧ другого порядку буде +40 дБ/десятиріччя. Пасивний RC HPC Пасивний RC фільтр високих частот може бути розроблений у двох комбінаціях, таких як резистор і конденсатор (пасивний RC HPF); резистор і індуктор (пасивний RL HPF) на основі застосування. Пасивний RC HPF використовується для застосування в аудіо або низькочастотних діапазонах. Пасивні схеми RL HPF використовуються для застосування в радіочастотних або високочастотних діапазонах. Схема фільтра високих частот також називається пасивним RC фільтром високих частот через використання пасивних елементів, таких як резистор і конденсатор. Основна перевага полягає в тому, що немає необхідності застосовувати будь-який зовнішній джерело живлення або будь-які компоненти підсилення. Пасивний RC HPF - це проста схема RC HPF, як показано на малюнку вище. Конденсатор і резистор з'єднані послідовно, де вихідна напруга розвивається на резисторе. Через реактивний опір конденсатора фільтр пропускає тільки високі частоти сигналу, що перевищує частоту зрізу, і блокує нижчі частоти сигналу нижче частоти зрізу. Характеристики Ці характеристики фільтра високих частот пояснюються з точки зору частотної характеристики та зсуву фаз вихідного сигналу. Ідеальні характеристики Основною характеристикою HPF є те, що він дозволяє всім високочастотним компонентам перевищувати частоту відсічення і послаблює всі низькі частоти сигналу, які нижчі за частоту зрізу. Ідеальні характеристики HPF показані нижче. Смуга пропускання називається HPF, що дозволяє використовувати більш високі частоти, які перевищують частоту зрізу. Цей фільтр послаблює низькі частоти, які називають смугою затримання.Ідеальні характеристики фільтра високих частот.Частотна характеристикаЧастота вихідного сигналу прямо пропорційна посиленню. Зі збільшенням частоти посилення збільшується. Частотна характеристика RC-фільтра високих частот залежить від реактивного опору конденсатора. Конденсатор виробляє необхідну кількість реактивного або високого реактивного опору, щоб послабити низькі частоти сигналу, тобто нижче частоти зрізу. При низькому реактивному опорі конденсатора RC-фільтр високих частот пропускає високочастотні компоненти сигналу, тобто більше, ніж частота зрізу. Але, практично, RC-фільтр високих частот допускає низькі частоти нижче його частоти зрізу. Коефіцієнт підсилення фільтра високих частот RC стає одиницею, коли реактивний опір низький/нульовий на високих частотах. Тобто вихідна напруга збігається з заданою вхідною напругою. Щоб дозволити високі частоти і відхилити низькі частоти, ємнісний реактивний опір зменшується зі збільшенням частоти, що призводить до збільшення вихідної напруги та посилення. Ємнісний реактивний опір визначається як, Xc = 1/2πfc, де 'fc' = частота зрізу в Гц, Xc'= ємнісний реактивний опір. Характеристики частотної характеристики та фазового зсуву RC-фільтра високих частот наведені нижче.Характеристики RC HPF На малюнку ми можемо спостерігати, що низькі частоти блокуються/відхиляються і збільшують вихідну напругу на +20 дБ/декаду, коли частота знаходиться на частоті зрізу і R=Xc. Фільтр високих частот RC дозволяє використовувати високі частоти (від граничної частоти до нескінченності), коли вихідна напруга становить 0.7071 або 70.71% від її вхідної напруги, тобто при -3 дБ вхідних та вихідних рівнях (шляхом розрахунку 20 log Vout/Vin). Це означає, що частотна характеристика HPF є, високочастотні сигнали дозволені від частоти зрізу до нескінченності. На частоті зрізу фазовий зсув вхідного і вихідного сигналів однаковий, тобто на 45°. Коли частота сигналу перевищує частоту зрізу, фазовий кут дорівнює нулю. Це означає, що вихідний сигнал знаходиться в фазі відносно вхідного сигналу на високих частотах. Час, необхідний для зарядки та розрядки конденсатора, виражається у вигляді постійної часу, що позначається 'τ'. Постійна часу RC фільтра високих частот задається як τ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RC. Частота зрізу RC HPF задається як, fc= 1/2πRC. Фазовий зсув RC HPF дорівнює задано як Φ=tan-1 (1/2πfRC)Де 'fc' = гранична частота в Гц'f' = робоча частота в Гц'R' = значення опору в омах'C'= значення конденсатора у фарадах високих частот Фільтр з використанням операційного підсилювача. Фільтр високих частот з використанням операційного підсилювача дуже простий у розробці та реалізації, оскільки він використовує обмежену кількість. електронних компонентів і усуває шум і гул. Принципова схема фільтра високих частот з використанням операційного підсилювача показана нижче. Пасивний RC HPF підключений до неінвертуючого операційного підсилювача для підсилення та регулювання посилення напруги.Фільтр високих частот з використанням операційного підсилювача. Вихід обмежений характеристиками операційного підсилювача з розімкненим контуром. Вихід RC HPF застосовується до операційного підсилювача для посилення та контролю коефіцієнта посилення напруги вихідного сигналу. Підсилення напруги фільтра високих частот за допомогою операційного підсилювача визначається як Aᵥ= Vout/Vin=Af(f /fc)/√(1+(f/fc)2)Де Av= посилення напруги в дБ= 1+R2/R1Af = посилення смуги пропускання,fc= частота зрізу в Гцf = робоча частота в Гц, Коли f < fc (низькі частоти) , потім Vout/Vin < AfWhen f = fc (на частоті зрізу), тоді Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfКоли f > fc (високі частоти), тоді Vout/Vin = Af. Пропускна здатність замкнутого циклу Операційний підсилювач визначає найвищу частоту HPF, яка має постійне посилення в смузі пропускання Af. Величина посилення напруги визначається як Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout/Vin) )Активний фільтр високих частот Якщо RC-фільтр високих частот підключений до активного елемента, такого як операційний підсилювач, щоб дозволити високі частоти і відхиляти низькі частоти, тоді він називається активним HPF. АЧХ і фазовий зсув активного HPF такі ж, як і RC HPF. Призначення активного фільтра високих частот – контролювати коефіцієнт посилення напруги та посилювати вихідний сигнал. Принципова схема активного фільтра високих частот для посилення показана нижче.Активний HPF для підсилення. Схема RC HPF підключена до неінвертуючого операційного підсилювача. Вихід і частота відсікання пасивного високочастотного фільтра контролюється операційним підсилювачем. Де пропускна здатність і характеристики підсилення операційного підсилювача визначають частоту зрізу. Цей тип фільтра діє як смуговий фільтр. Операційний підсилювач збільшує амплітуду вихідного сигналу, а посилення вихідної напруги смуги пропускання задається як 1+R2/R1, що є таким же, як і фільтр низьких частот. розглянемо схему пасивного RC HPF, як показано вище. З наведеної вище схеми Vo = вихідна напруга на резисторі Vi = вхідна напруга, що подається на конденсатор Приймаючи перетворення Лапласа як на вхідній, так і на вихідній стороні, H (s) = Vₒ (s)/ Vᵢ (s) H (s) = R/(R+(1/sC)) Вищезазначене рівняння набуває вигляду, H (s) = sCR/(1+sCR) шляхом заміни s = jw у наведеному вище рівнянні H (jω) = jωCR /(1+jωCR) Тоді рівняння стає Величина передатної функції HPF представляється як|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Якщо ω = 0, то передатна функція HPF = 0, якщо ω = 1/CR, то передавальна функція HPF = 0.707 Якщо ω = нескінченність, то передавальна функція HPF = 1 Отже, наведені вище характеристики передавальної функції показують, що пасивний фільтр високих частот RC може дозволити високим частотам відрізати частоту до i nfinity. тобто змінюється від 0 до 1, якщо ω змінюється від 0 до нескінченності. Баттерворт HPFФільтр високих частот Баттерворта є одним із типів HPF, який забезпечує рівну частотну характеристику в смузі пропускання. Завдяки рівномірній частотній характеристикі не буде брижі. Він також відомий як плоский фільтр, який використовується в різних програмах, де коефіцієнт підсилення смуги пропускання в замкненому контурі дорівнює одиниці. Принципова схема та частотна характеристика фільтра високих частот Баттерворта першого порядку показані нижче. Вони дуже прості і прості в конструюванні.Підсилення Баттерворта HPF збільшується зі швидкістю +20 дБ/декаду для Баттерворта HPF першого порядку, а для HPF Баттерворта другого порядку воно становитиме +40 дБ/десятиріччя.Характеристики HPF Баттерворта. Застосування. Застосування фільтрів високих частот – це динаміки для посилення сигналів. Обробка зображення, що використовується для посилення постійного струму та для з’єднання змінного струму. Системи керування та системи обробки звуку. Розгалужувачі DSL в телефонах. - визначення, схема, HPF Баттерворта, HPF з використанням операційного підсилювача та його застосування. Ось вам запитання: «Які переваги та недоліки високочастотних фільтрів?»

Залишити повідомлення 

список повідомлень