Elektroniniai filtrai yra grandinės, kurios kontroliuoja, kurie dažniai praeina, o kurie yra blokuojami, todėl signalai yra aiškūs ir patikimi. Jie naudojami elektros sistemose, garso įrenginiuose, ryšio ryšiuose ir duomenų rinkime. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinami filtrų tipai, terminai, atsakymų šeimos, projektavimo veiksmai ir programos.
Elektroninio filtro apžvalga
Elektroninis filtras yra grandinė, kontroliuojanti, kurios signalo dalys yra išlaikomos, o kurios sumažinamos. Jis veikia leisdamas praeiti naudingiems dažniams, susilpnindamas tuos, kurie nereikalingi. Elektros sistemose filtrai pašalina nepageidaujamą triukšmą ir palaiko pastovų elektros tiekimą. Garse jie reguliuoja garso kokybę ir atskiria diapazonus, tokius kaip žemieji ir aukštieji dažniai. Bendraujant filtrai padeda signalams išlikti aiškiems ir tiksliems. Be jų daugelis sistemų neveiktų sklandžiai ir patikimai.
Pagrindiniai elektroninių filtrų tipai
Žemųjų dažnių filtras (LPF)
LPF perduoda signalus žemiau ribinio dažnio ir slopina aukštesnius. Jis išlygina maitinimo šaltinio išvestis, pašalina garso triukšmą ir apsaugo nuo slapyvardžio skaitmeninėse grandinėse. Paprastas RC filtras yra dažnas pavyzdys.
Aukšto dažnio filtras (HPF)
HPF perduoda dažnius virš ribinės ribos ir blokuoja žemesnius. Jis naudojamas aukštų dažnių garsiakalbių garsui, kintamosios srovės jungčiai, kad būtų pašalintas nuolatinės srovės poslinkis, ir instrumentuose, mažinančiuose dreifą. Serijinis kondensatorius stiprintuvo įėjime yra pagrindinė forma.
Juostos pralaidumo filtras (BPF)
BPF leidžia praeiti tik pasirinktai dažnių juostai, atmetant kitas. Jis būtinas radijo imtuvuose, belaidžiame ryšyje ir medicinos prietaisuose, tokiuose kaip EKG. LC suderinta grandinė FM radijo imtuvuose yra klasikinis pavyzdys.
Juostos sustabdymo / įpjovos filtras (BSF)
BSF susilpnina siaurą dažnių juostą, praleisdamas aukščiau ir žemiau. Jis pašalina garso dūzgimą, panaikina ryšio trukdžius ir atmeta instrumentų triukšmą. "Twin-T" įpjovos filtras yra gerai žinomas dizainas.
Filtruokite terminologijos informaciją
Prieigos juosta
Pralaidumo juosta yra dažnių diapazonas, per kurį filtras leidžia praeiti su minimaliu slopinimu. Pavyzdžiui, telefonijoje išsaugoma 300–3,4 kHz balso juosta, todėl kalba išlieka aiški. Plati, plokščia pralaidumo juosta užtikrina, kad norimi signalai išlaikytų savo pradinį stiprumą ir kokybę.
Stopjuosta
Stopjuosta yra dažnių diapazonas, kurį filtras stipriai slopina, kad blokuotų nepageidaujamus signalus ar triukšmą. Ši sritis yra pagrindinė siekiant užkirsti kelią trukdžiams, iškraipymams ar slapyvardžiui užteršti naudingą signalą. Kuo gilesnis stabdymo juostos slopinimas, tuo efektyviau filtras atmeta nepageidaujamus dažnius.
Ribinis dažnis (fc)
Ribinis dažnis žymi ribą tarp pralaidumo juostos ir stabdymo juostos. Daugumoje filtrų konstrukcijų, pvz., Butterworth filtre, jis apibrėžiamas kaip dažnis, kai signalas sumažėja −3 dB nuo pralaidumo juostos lygio. Šis punktas naudojamas kaip nuoroda projektuojant ir derinant filtrus, kad jie atitiktų sistemos reikalavimus.
Pereinamoji juosta
Pereinamoji juosta yra nuolydžio sritis, kurioje filtro išėjimas pasislenka iš pralaidumo juostos į stabdymo juostą. Siauresnė perėjimo juosta rodo ryškesnį, selektyvesnį filtrą, kuris pageidautinas tokiose srityse kaip kanalų atskyrimas ryšių sistemose. Aštresniems perėjimams dažnai reikia sudėtingesnių filtrų konstrukcijų arba aukštesnės eilės grandinių.
Bode siužetai filtruose
Dydžio diagrama
Dydžio diagrama rodo filtro stiprinimą (decibelais) ir dažnį. Pavyzdžiui, žemųjų dažnių filtre atsakas išlieka plokščias apie 0 dB pralaidumo juostoje, tada pradeda riedėti po ribinio dažnio, rodydamas aukštesnių dažnių slopinimą. Šio nuriedėjimo statumas priklauso nuo filtro tvarkos: aukštesnės eilės filtrai užtikrina ryškesnius perėjimus tarp pralaidumo juostos ir stabdymo juostos. Dydžio diagramos leidžia lengvai pamatyti, kaip gerai filtras blokuoja nepageidaujamus dažnius, išsaugant norimą diapazoną.
Fazinis siužetas
Fazių diagrama rodo, kaip filtras keičia signalų fazę skirtingais dažniais. Tai signalo delsos matas. Esant žemiems dažniams, fazės poslinkis dažnai būna minimalus, tačiau didėjant dažniui, aplink ribą, filtras įveda daugiau vėlavimo. Fazės atsakas yra pagrindinis laikui jautriose sistemose, tokiose kaip garso apdorojimas, ryšio ryšiai ir valdymo sistemos, kur net ir nedidelės laiko klaidos gali turėti įtakos našumui.
Filtravimo tvarka ir atsisakymas
| Filtrų tvarka | Poliai / nuliai | Riedėjimo greitis | Aprašymas |
|---|---|---|---|
| 1-asis įsakymas | Vienas stulpas | \~20 dB/dešimtmetis | Pagrindinis filtras su laipsnišku slopinimu. |
| 2-asis įsakymas | Du stulpai | \~40 dB/dešimtmetis | Aštresnė riba, palyginti su 1 tvarka. |
| 3-asis įsakymas | Trys stulpai | \~60 dB/dešimtmetis | Stipresnis slopinimas, selektyvesnis. |
| N-oji tvarka | N stulpai | N × 20 dB/dešimtmetį | Aukštesnė tvarka suteikia staigesnį riedėjimą, bet padidina grandinės sudėtingumą. |
Pasyvaus filtro pagrindai
RC filtrai
RC filtrai yra paprasčiausias pasyvus dizainas, naudojant rezistorių ir kondensatorių kartu. Labiausiai paplitusi forma yra RC žemųjų dažnių filtras, leidžiantis praeiti žemiems dažniams, slopinant aukštesnius dažnius. Jo ribinį dažnį nurodo:
fc =
Tai geriausiai tinka išlyginti signalus maitinimo šaltiniuose, pašalinti aukšto dažnio triukšmą ir užtikrinti pagrindinį signalo kondicionavimą garso ar jutiklių grandinėse.
RL filtrai
RL filtruose naudojamas rezistorius ir induktorius, todėl jie labiau tinka grandinėms, kurios valdo didesnes sroves. RL žemųjų dažnių filtras gali išlyginti srovę maitinimo sistemose, o RL aukšto dažnio filtras veiksmingai blokuoja nuolatinę srovę praleidžiant kintamosios srovės signalus. Kadangi induktoriai atsparūs srovės pokyčiams, RL filtrai dažnai pasirenkami ten, kur svarbus energijos valdymas ir efektyvumas.
RLC filtrai
RLC filtrai sujungia rezistorius, induktorius ir kondensatorius, kad sukurtų selektyvesnius atsakus. Priklausomai nuo komponentų išdėstymo, RLC tinklai gali sudaryti juostos pralaidumo filtrus arba įpjovų filtrus. Jie reikalingi derinant radijo imtuvus, osciliatorius ir ryšio grandines, kur svarbus dažnio tikslumas.
Filtrų atsakų šeimų tipai
Butterworth filtras
"Butterworth" filtras vertinamas dėl sklandaus ir plokščio pralaidumo juostos atsako be bangavimo. Jis užtikrina natūralią, be iškraipymų išvestį, todėl puikiai tinka garsui ir filtravimui. Jo trūkumas yra vidutinis nuriedėjimo greitis, palyginti su kitomis šeimomis, o tai reiškia, kad jis yra mažiau selektyvus, kai reikia staigios ribos.
Beselio filtras
Beselio filtras sukurtas taip, kad būtų užtikrintas laiko srities tikslumas, užtikrinantis beveik tiesinį fazių atsaką ir minimalų bangos formos iškraipymą. Dėl to jis geriausiai tinka tokioms programoms kaip duomenų perdavimas ar garsas, kur reikia išsaugoti signalo formą. Jo dažnio selektyvumas yra prastas, todėl jis negali taip efektyviai atmesti netoliese esančių nepageidaujamų signalų.
Čebyševo filtras
"Chebyshev" filtras užtikrina daug greitesnį riedėjimą nei "Butterworth", todėl perėjimai yra staigesni su mažiau komponentų. Tai pasiekiama leidžiant kontroliuojamą bangavimą pralaidumo juostoje. Nors bangavimas yra efektyvus, jis gali iškraipyti jautrius signalus, todėl jis mažiau tinka tiksliam garsui.
Elipsinis filtras
Elipsinis filtras siūlo stačiausią perėjimo juostą mažiausiam komponentų skaičiui, todėl jis yra ypač efektyvus siauros juostos programoms. Kompromisas yra bangavimas tiek pralaidumo, tiek stabdymo juostoje, o tai gali turėti įtakos signalo tikslumui. Nepaisant to, elipsiniai dizainai dažnai naudojami RF ir ryšių sistemose, kur reikalingas aštrus nutraukimas.
Filtro charakteristikos: f₀, BW ir Q
• Centrinis dažnis (f₀): tai dažnis juostos viduryje, kurį filtras praeina arba blokuoja. Jis randamas padauginus apatinį ribinį dažnį ir viršutinį ribinį dažnį, tada paimant kvadratinę šaknį.
• Pralaidumas (nesp.): tai diapazono tarp viršutinio ir apatinio ribinių dažnių dydis. Mažesnis pralaidumas reiškia, kad filtras leidžia tik siaurą dažnių diapazoną, o didesnis pralaidumas reiškia, kad jis apima daugiau.
• Kokybės koeficientas (Q): parodo, koks ryškus ar selektyvus filtras. Jis apskaičiuojamas dalijant centrinį dažnį iš pralaidumo. Didesnė Q reikšmė reiškia, kad filtras labiau fokusuoja centrinį dažnį, o mažesnė Q reikšmė reiškia, kad jis apima platesnį diapazoną.
Filtro projektavimo proceso žingsniai
• Apibrėžkite tokius reikalavimus kaip ribinis dažnis, slopinimo dydis, reikalingas nepageidaujamiems signalams, priimtinas pulsacijos lygis pralaidumo juostoje ir grupės delsos ribos. Šios specifikacijos nustato dizaino pagrindą.
• Pasirinkite filtro tipą pagal tikslą: žemas dažnis, kad būtų leidžiami žemi dažniai, aukštas dažnis, kad būtų leidžiami aukšti dažniai, juostos pralaidumas, kad būtų leidžiamas diapazonas, arba juostos sustabdymas, kad būtų galima blokuoti diapazoną.
• Pasirinkite atsakymų šeimą, kuri geriausiai tinka programai. Butterworth siūlo plokščią pravažiavimo juostą, Bessel išlaiko laiko tikslumą, Chebyshev užtikrina ryškesnį riedėjimą, o elipsinis suteikia stačiausią perėjimą su kompaktišku dizainu.
• Apskaičiuokite filtro tvarką, kuri nustato, kaip staigiai jis gali slopinti nepageidaujamus dažnius. Aukštesnės eilės filtrai užtikrina didesnį selektyvumą, tačiau reikalauja daugiau komponentų.
• Pasirinkite topologiją, kad įgyvendintumėte dizainą. Pasyvūs RC filtrai yra paprasti, aktyvūs op-amp filtrai leidžia stiprinti ir buferizuoti, o skaitmeniniai FIR arba IIR filtrai yra plačiai naudojami šiuolaikiniame apdorojime.
• Prieš statydami filtrą imituokite ir sukurkite jo prototipą. Modeliavimas ir Bode diagramos padeda patvirtinti našumą, o prototipai patikrina, ar filtras praktiškai atitinka nustatytus reikalavimus.
Filtrų pritaikymas elektronikoje
Garso elektronika
Filtrai formuoja garsą ekvalaizeriuose, krosoveriuose, sintezatoriuose ir ausinių grandinėse. Jie valdo dažnių balansą, pagerina aiškumą ir užtikrina sklandų signalo srautą tiek vartotojų, tiek profesionalioje garso įrangoje.
Maitinimo sistemos
Harmoniniai filtrai ir EMI slopinimo filtrai yra būtini variklių pavarose, UPS sistemose ir galios keitikliuose. Jie apsaugo jautrią įrangą, pagerina energijos kokybę ir sumažina elektromagnetinius trukdžius.
Duomenų gavimas
Anti-aliasing filtrai naudojami prieš analoginius-skaitmeninius keitiklius (ADC), kad būtų išvengta signalo iškraipymų. Biomedicininiuose prietaisuose, tokiuose kaip EEG ir EKG monitoriai, filtrai išgauna reikšmingus signalus, pašalindami nepageidaujamą triukšmą.
Ryšiai
Juostos pralaidumo ir juostos sustabdymo filtrai yra pagrindiniai RF sistemose. Jie apibrėžia dažnių kanalus "Wi-Fi", korinio ryšio tinkluose ir palydoviniame ryšyje, leisdami aiškiai perduoti signalą ir atmesti trukdžius.
Išvada
Filtrai yra pagrindiniai formuojant signalus, kad būtų aiškus garsas, stabili galia, tikslūs duomenys ir patikimas ryšys. Supratus jų tipus, terminus ir projektavimo metodus, tampa lengviau pasirinkti arba sukurti filtrus, kurie užtikrina sistemų tikslumą ir efektyvumą.
Dažnai užduodami klausimai
1 klausimas. Kuo skiriasi aktyvūs ir pasyvūs filtrai?
Aktyvūs filtrai naudoja op-amps ir gali sustiprinti signalus, o pasyvūs filtrai naudoja tik rezistorius, kondensatorius ir induktorius be stiprinimo.
2 klausimas. Kuo skaitmeniniai filtrai skiriasi nuo analoginių filtrų?
Analoginiai filtrai apdoroja nuolatinius signalus su komponentais, o skaitmeniniai filtrai naudoja algoritmus atrinktiems signalams DSP ar programinėje įrangoje.
3 klausimas. Kodėl ryšių sistemose naudojami aukštesnės eilės filtrai?
Jie suteikia ryškesnius atjungimus, leidžiančius geriau atskirti glaudžiai išdėstytus kanalus ir sumažinti trukdžius.
4 klausimas. Koks yra filtrų vaidmuo jutikliuose?
Filtrai pašalina nepageidaujamą triukšmą, todėl jutikliai siunčia švarius ir tikslius signalus.
5 klausimas. Kodėl reikalingas filtro stabilumas?
Nestabilūs filtrai gali svyruoti arba iškraipyti signalus, todėl stabilumas užtikrina patikimą veikimą.
6 klausimas. Ar galima sureguliuoti filtrus?
Taip. Derinami filtrai reguliuoja ribinį arba centrinį dažnį, naudojamą radijo imtuvuose ir adaptyviose sistemose.