Elektroniniai filtrai: tipai, dizainas ir pritaikymas

Elektroniniai filtrai kontroliuoja, kurie signalo dažniai praeina per grandinę, o kurie yra sumažinti. Jie valo signalus pašalindami nepageidaujamą triukšmą, išlaikydami naudingas dažnio dalis.

Elektroninių filtrų apžvalga 

Elektroninis filtras yra grandinė, kontroliuojanti, kuriems signalo dažniams leidžiama praeiti, o kurie sumažinami arba blokuojami. Jis negeneruoja naujų signalų ir nepadidina signalo stiprumo. Vietoj to, jis formuoja esamą signalą, valdydamas jo dažnio turinį, kad grandinėje būtų tęsiamos tik reikalingos dalys.

Elektroniniai filtrai yra pagrindiniai, nes daugumoje signalų yra nepageidaujamų dažnių kartu su naudingais. Triukšmas ir trukdžiai gali turėti įtakos grandinės veikimui ir sumažinti bendrą našumą. Pašalinus šias nepageidaujamas dalis, elektroniniai filtrai padeda išlaikyti signalus stabilius, aiškius ir tinkamus kitam apdorojimo etapui elektroninėse sistemose.

Elektroninių filtrų veikimo principai

Elektroniniai filtrai veikia naudojant komponentus, kurie skirtingai reaguoja į skirtingus dažnius. Šios reakcijos kontroliuoja, kiek signalo leidžiama praeiti per grandinę.

Kondensatoriai siūlo mažesnį pasipriešinimą didėjant dažniui, o induktoriai - didesnį pasipriešinimą didėjant dažniui. Rezistoriai padeda kontroliuoti signalo stabilumą ir apriboti nepageidaujamus pokyčius. Šie elementai formuoja signalo pokyčius dažniuose.

Dažnio atsakas parodo, kaip filtras veikia signalo stiprumą skirtingais dažniais. Jis apibrėžia pralaidumo juostą, kur leidžiami signalai, stabdymo juostą, kur signalai sumažinami, ir pereinamąją juostą tarp jų.

Elektroninių filtrų tipai pagal dažnio atsaką

Žemųjų dažnių filtrai

Pirmos eilės aktyvi LPF grandinė

Pirmos eilės aktyvus žemųjų dažnių filtras yra grandinė, leidžianti perduoti žemo dažnio signalus, tuo pačiu sumažinant aukštesnio dažnio signalus. Įvesties signalas pirmiausia eina per rezistorių ir kondensatorių. Esant žemiems dažniams, kondensatorius turi mažai poveikio, todėl didžioji dalis signalo tęsiasi į priekį. Didėjant dažniui, kondensatorius nukreipia daugiau signalo į žemę, o tai susilpnina signalą, kol jis nepasiekia operacinio stiprintuvo.

Op-amp sustiprina filtruotą signalą ir palaiko pastovią išvestį. Du rezistoriai grįžtamojo ryšio kelyje kontroliuoja, kiek signalas sustiprinamas. Ši sąranka leidžia reguliuoti stiprinimo dydį nekeičiant filtravimo veiksmo veiksmo. Parodytos maitinimo jungtys tiekia operacinį stiprintuvą, kad jis galėtų tinkamai veikti.

LPF išvestis

Žemųjų dažnių filtro išvestis išlieka stabili žemais dažniais, o tai reiškia, kad signalas praeina mažai arba visai nesikeičia. Šiame diapazone išėjimo įtampos ir įvesties įtampos santykis išlieka beveik pastovus, o tai rodo, kad žemo dažnio signalams leidžiama tęstis per grandinę.

Kai dažnis artėja prie ribinio taško, išėjimas pradeda mažėti. Viršijus šį ribinį dažnį, išėjimo lygis tampa labai mažas, o tai rodo, kad aukštesnio dažnio signalai stipriai sumažėja. Tai paaiškina, kaip žemųjų dažnių filtras išlaiko naudingus žemo dažnio signalus ir riboja nepageidaujamą aukšto dažnio turinį.

Aukšto dažnio filtrai

Aukšto dažnio filtro grandinė

Pirmos eilės aktyvus aukšto dažnio filtras leidžia perduoti aukšto dažnio signalus, tuo pačiu sumažindamas žemo dažnio signalus. Įvesties signalas pirmiausia eina per kondensatorių, kuris blokuoja lėtai besikeičiančius arba pastovius signalus. Didėjant dažniui, kondensatorius leidžia didesnei signalo daliai judėti į priekį link operacijos stiprintuvo įvesties.

Prie žemės prijungtas rezistorius nustato, kaip kondensatorius reaguoja į skirtingus dažnius, ir padeda nustatyti ribinį tašką. Esant žemiems dažniams, didžioji dalis signalo yra užblokuota, todėl labai mažai pasiekia op-amp. Esant aukštesniems dažniams, signalas lengviau pasiekia operacinį stiprintuvą ir pasirodo išvestyje.

Aukšto dažnio filtro išvestis

Aukšto dažnio filtro dažnio išvestis išlieka labai žema esant žemiems dažniams, o tai reiškia, kad šie signalai sumažėja ir nepraeina. Šiame diapazone išvestis, palyginti su įvestimi, yra artima nuliui, o tai rodo, kad lėti arba pastovūs signalai yra blokuojami.

Kai dažnis pasiekia ribinį tašką, išėjimo lygis pakyla ir tampa pastovus. Virš šio ribinio dažnio išėjimas išlieka beveik pastovus, o tai reiškia, kad aukštesnio dažnio signalai praeina su mažais pokyčiais. 

Juostos pralaidumo filtras

Juostos pralaidumo filtro grandinė leidžia praeiti tik pasirinktam dažnių diapazonui, tuo pačiu sumažinant tiek žemesnius, tiek aukštesnius dažnius. Pirmasis etapas veikia kaip aukšto dažnio filtras, kai kondensatorius ir rezistorius riboja žemo dažnio signalus, kad tik aukštesnio dažnio komponentai tęstųsi į priekį.

Antrasis etapas veikia kaip žemųjų dažnių filtras, kur kitas rezistorius ir kondensatorius sumažina aukšto dažnio signalus. Kartu šie du etapai sudaro dažnio langą, kuris perduoda signalus tarp žemesnio ribinio dažnio ir didesnio ribinio dažnio.

Juostos sustabdymo filtras

Juostos sustabdymo filtro grandinė sumažina signalus tam tikrame dažnių diapazone, tuo pačiu leisdama praeiti žemesniems ir aukštesniems dažniams. Rezistoriaus ir kondensatoriaus tinklai sukuria nuo dažnio priklausomą kelią, nukreiptą į siaurą dažnių juostą slopinimui.

Esant dažniams, esantiems žemiau atmesto diapazono, signalas juda per grandinę mažai keisdamasis. Kai dažnis patenka į stabdymo juostą, reaktyvieji komponentai veikia kartu, kad susilpnintų signalą. Kai dažnis pakyla virš šio diapazono, signalo lygis vėl padidėja.

Pasyvių ir aktyvių elektroninių filtrų palyginimas

Filtrų tvarka ir atsisakymas elektroniniuose filtruose

Elektroniniai filtrai taip pat klasifikuojami pagal jų tvarką, kuri apibūdina, kaip stipriai jie sumažina nepageidaujamus dažnius už ribinio taško. Didėjant filtrų tvarkai, signalo lygis greičiau krenta už pralaidumo juostos ribų, todėl aiškesnis skirtumas tarp leistinų ir blokuojamų dažnių. Tai turi įtakos sklandžiam ar staigiam perėjimui tarp naudingų signalų ir atmestų signalų.

Aktyvios filtrų grandinės struktūros elektroniniuose filtruose

Aktyvios filtrų grandinės struktūros naudoja operacinį stiprintuvą kartu su rezistoriais ir kondensatoriais, kad kontroliuotų, kaip skirtingi dažniai praeina signalo keliu. Įvesties signalas pirmiausia teka per kondensatorius, kurie formuoja dažnio atsaką, leisdami tam tikriems signalo pokyčiams tęstis, o kitus apribodami prieš pasiekdami operacijos stiprintuvą.

Operacinis stiprintuvas padidina signalo stiprumą ir išlaiko išvestį stabilią. Aplink operacinį stiprintuvą prijungti rezistoriai nustato stiprinimą ir padeda kontroliuoti, kaip filtras elgiasi. Šie grįžtamojo ryšio keliai leidžia grandinei išlaikyti nuspėjamą atsaką norimame dažnių diapazone.

Analoginiai ir skaitmeniniai elektroniniai filtrai

Elektroninių filtrų taikymas praktinėse sistemose

• Garso sistemos – elektroniniai filtrai valdo žemus, vidutinius ir aukštus dažnius, kad subalansuotų garsą ir sumažintų foninį triukšmą, pagerintų signalo aiškumą.

• Ryšio sistemos – filtrai parenka reikiamą dažnių juostą, sumažindami trikdžius iš netoliese esančių kanalų, padėdami išlaikyti aiškų ir patikimą signalo perdavimą.

• Pramoninė elektronika – filtruoja sklandžius jutiklių išėjimus, pašalindama staigius svyravimus ir elektros triukšmą, todėl matavimai yra stabilesni ir tikslesni.

• Medicinos prietaisai – filtrai pašalina nepageidaujamus elektros trikdžius iš biologinių signalų, todėl galima stabiliai ir įskaitomai stebėti signalą, kad sistema veiktų tinkamai.

Dizaino patarimai ir klaidos, kurių reikia vengti elektroniniuose filtruose

Išvada 

Elektroniniai filtrai atlieka pagrindinį vaidmenį formuojant signalus, valdydami dažnio turinį. Veikimo principų, filtrų tipų, tvarkos, nuriedėjimo ir grandinės struktūrų supratimas padeda paaiškinti, kaip filtrai veikia realiose sistemose. Palyginus pasyvius ir aktyvius dizainus, taip pat analoginius ir skaitmeninius filtrus, paaiškėja pagrindiniai našumo ir valdymo skirtumai, o tinkama projektavimo praktika padeda išlaikyti stabilius ir nuspėjamus rezultatus.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

Kaip nustatomas ribinis dažnis?

Ribinis dažnis nustatomas pagal rezistorių ir kondensatorių arba induktorių vertes grandinėje. Jis apibrėžia tašką, kai išėjimo signalas pradeda mažėti, palyginti su įvestimi.

Kas yra idealus filtras?

Idealus filtras be nuostolių praleidžia leistinus dažnius ir visiškai blokuoja nepageidaujamus. Realiose grandinėse tokio elgesio negalima pasiekti tobulai dėl fizinių komponentų ribų.

Ar temperatūros pokyčiai turi įtakos filtrams?

Taip, temperatūros pokyčiai gali pakeisti rezistoriaus, kondensatoriaus ir stiprintuvo charakteristikas. Tai gali šiek tiek pakeisti filtro ribinį dažnį, stiprinimą ir stabilumą.

Kas sukelia filtro iškraipymus?

Filtro iškraipymas gali atsirasti dėl riboto ampkeltuvo pralaidumas, netiesinis komponentų elgesys arba nestabilūs maitinimo šaltiniai. Filtro naudojimas arti jo dažnio ribų taip pat gali padidinti iškraipymus.

Kodėl reikalingas buferis?

Buferis naudojamas filtravimo etapams izoliuoti, kad vienas etapas nepakeistų kito elgesio. Tai padeda išlaikyti numatytą dažnio atsaką ir signalo lygį.

Ar po pastatymo galima reguliuoti filtrus?

Taip, filtrus galima reguliuoti naudojant kintamus komponentus analoginėse grandinėse. Skaitmeniniuose filtruose koregavimai atliekami keičiant programinės įrangos parametrus, o ne aparatinę įrangą.