Filtry elektroniczne to obwody, które kontrolują, które częstotliwości przechodzą, a które są blokowane, dzięki czemu sygnały są czyste i niezawodne. Znajdują zastosowanie w systemach zasilania, urządzeniach audio, łączach komunikacyjnych i akwizycji danych. W tym artykule szczegółowo opisano typy filtrów, terminy, rodziny odpowiedzi, kroki projektowania i aplikacje.
Klasa C1. Przegląd filtrów elektronicznych
Klasa C2. Podstawowe typy filtrów elektronicznych
Klasa C3. Filtruj szczegóły terminologii
Klasa C4. Wykresy Bodego w filtrach
Klasa C5. Kolejność filtrów i wycofywanie
Klasa C6. Podstawy filtrów pasywnych
Klasa C7. Typy rodzin odpowiedzi filtrów
Klasa C8. Charakterystyka filtra: f₀, BW i Q
Klasa C9. Etapy procesu projektowania filtra
Klasa C10. Zastosowania filtrów w elektronice
Klasa C11. Konkluzja
Klasa C12. Często zadawane pytania
Przegląd filtra elektronicznego
Filtr elektroniczny to obwód, który kontroluje, które części sygnału są zachowywane, a które są redukowane. Działa poprzez przepuszczanie użytecznych częstotliwości, jednocześnie osłabiając te, które nie są potrzebne. W systemach zasilania filtry usuwają niepożądane szumy i utrzymują stały dopływ energii elektrycznej. W audio dostosowują jakość dźwięku i oddzielają zakresy, takie jak tony niskie i wysokie. W komunikacji filtry pomagają sygnałom zachować jasność i dokładność. Bez nich wiele systemów nie działałoby płynnie i niezawodnie.
Podstawowe typy filtrów elektronicznych
Filtr dolnoprzepustowy (LPF)
LPF przepuszcza sygnały poniżej częstotliwości odcięcia i tłumi wyższe. Wygładza wyjścia zasilania, usuwa szumy w dźwięku i zapobiega aliasingowi w obwodach cyfrowych. Typowym przykładem jest prosty filtr RC.
Filtr górnoprzepustowy (HPF)
HPF przepuszcza częstotliwości powyżej granicy i blokuje niższe. Jest stosowany w audio dla głośników wysokotonowych, w sprzężeniu AC w celu usunięcia przesunięcia DC oraz w instrumentach w celu zmniejszenia dryfu. Kondensator szeregowy na wejściu wzmacniacza jest formą podstawową.
Filtr pasmowo-przepustowy (BPF)
BPF przepuszcza tylko wybrane pasmo częstotliwości, odrzucając inne. Jest niezbędny w odbiornikach radiowych, komunikacji bezprzewodowej i urządzeniach medycznych, takich jak EKG. Klasycznym przykładem jest obwód strojony LC w radiach FM.
Filtr pasmowy / wycinający (BSF)
BSF tłumi wąskie pasmo częstotliwości, przepuszczając te powyżej i poniżej. Usuwa przydźwięk w dźwięku, anuluje zakłócenia w komunikacji i odrzuca szumy w instrumentach. Filtr wycinający twin-T to dobrze znana konstrukcja.
Filtruj szczegóły terminologii
Pasmo przepustowe
Pasmo przepustowe to zakres częstotliwości, przez który filtr pozwala przejść przy minimalnym tłumieniu. Na przykład w telefonii pasmo głosowe od 300 Hz do 3,4 kHz jest zachowywane, dzięki czemu mowa pozostaje wyraźna. Szerokie, płaskie pasmo przepustowe sprawia, że pożądane sygnały zachowują swoją pierwotną siłę i jakość.
Pasmo zatrzymania
Pasmo zaporowe to zakres częstotliwości, który filtr silnie tłumi, aby zablokować niepożądane sygnały lub szumy. Ten obszar ma zasadnicze znaczenie w zapobieganiu zakłóceniom, zniekształceniom lub aliasingowi przed zanieczyszczeniem użytecznego sygnału. Im głębsze tłumienie pasma zaporowego, tym skuteczniej filtr odrzuca niepożądane częstotliwości.
Częstotliwość odcięcia (fc)
Częstotliwość graniczna wyznacza granicę między pasmem przepustowym a pasmem zaporowym. W większości konstrukcji filtrów, takich jak filtr Butterwortha, definiuje się go jako częstotliwość, w której sygnał spada o -3 dB od poziomu pasma przepustowego. Ten punkt służy jako odniesienie do projektowania i dostrajania filtrów w celu spełnienia wymagań systemowych.
Pasmo przejściowe
Pasmo przejścia to obszar nachylenia, w którym wyjście filtra przesuwa się z pasma przepustowego do pasma zaporowego. Węższe pasmo przejścia wskazuje na ostrzejszy, bardziej selektywny filtr, co jest pożądane w zastosowaniach takich jak separacja kanałów w systemach komunikacyjnych. Ostrzejsze przejścia często wymagają bardziej złożonych konstrukcji filtrów lub obwodów wyższego rzędu.
Wykresy Bodego w filtrach
Wykres wielkości
Wykres wielkości pokazuje wzmocnienie filtra (w decybelach) w funkcji częstotliwości. Na przykład w filtrze dolnoprzepustowym odpowiedź pozostaje płaska około 0 dB w paśmie przepustowym, a następnie zaczyna spadać po częstotliwości odcięcia, co wskazuje na tłumienie wyższych częstotliwości. Nachylenie tego odchylenia zależy od kolejności filtra: filtry wyższego rzędu zapewniają ostrzejsze przejścia między pasmem przepustowym a pasmem zaporowym. Wykresy wielkości ułatwiają sprawdzenie, jak dobrze filtr blokuje niepożądane częstotliwości, zachowując jednocześnie pożądany zakres.
Wykres fazowy
Wykres fazowy pokazuje, w jaki sposób filtr przesuwa fazę sygnałów o różnych częstotliwościach. Jest to miara opóźnienia sygnału. Przy niskich częstotliwościach przesunięcie fazowe jest często minimalne, ale wraz ze wzrostem częstotliwości, w okolicach odcięcia, filtr wprowadza większe opóźnienie. Odpowiedź fazowa jest podstawą w systemach wrażliwych na czas, takich jak przetwarzanie dźwięku, łącza komunikacyjne i systemy sterowania, w których nawet niewielkie błędy czasowe mogą mieć wpływ na wydajność.
Kolejność filtrów i wycofywanie
| Kolejność filtrów | Bieguny/Zera | Wskaźnik wycofywania | Opis |
|---|---|---|---|
| 1. zamówienie | Jeden słup | \~20 dB/dekadę | Filtr podstawowy ze stopniowym tłumieniem. |
| 2. porządek | Dwa bieguny | \~40 dB/dekadę | Ostrzejsze odcięcie w porównaniu z 1. porządkiem. |
| 3. Porządek | Trzy bieguny | \~60 dB/dekadę | Silniejsze tłumienie, bardziej selektywne. |
| N-te zamówienie | N biegunów | N × 20 dB/dekadę | Wyższy rząd zapewnia bardziej strome przechylenie, ale zwiększa złożoność obwodu. |
Podstawy filtrów pasywnych
Filtry RC
Filtry RC to najprostsza konstrukcja pasywna, wykorzystująca połączenie rezystora i kondensatora. Najczęstszą formą jest filtr dolnoprzepustowy RC, który przepuszcza niskie częstotliwości, jednocześnie tłumiąc wyższe częstotliwości. Jego częstotliwość graniczna jest określona wzorem:
fc =
Najlepiej nadają się do wygładzania sygnałów w zasilaczach, usuwania szumów o wysokiej częstotliwości i zapewniania podstawowego kondycjonowania sygnału w obwodach audio lub czujników.
Filtry RL
Filtry RL wykorzystują rezystor i cewkę indukcyjną, dzięki czemu są bardziej odpowiednie do obwodów obsługujących większe prądy. Filtr dolnoprzepustowy RL może wygładzić prąd w systemach zasilania, podczas gdy filtr górnoprzepustowy RL skutecznie blokuje prąd stały podczas przepuszczania sygnałów prądu przemiennego. Ponieważ cewki indukcyjne są odporne na zmiany prądu, filtry RL są często wybierane w zastosowaniach, w których ważna jest obsługa energii i wydajność.
Filtry RLC
Filtry RLC łączą rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory, aby uzyskać bardziej selektywne odpowiedzi. W zależności od tego, jak rozmieszczone są komponenty, sieci RLC mogą tworzyć filtry pasmowo-przepustowe lub filtry wycinające. Są one wymagane w strojeniu odbiorników radiowych, oscylatorów i obwodów komunikacyjnych, w których liczy się precyzja częstotliwości.
Typy rodzin odpowiedzi filtrów
Filtr Butterwortha
Filtr Butterwortha jest ceniony za płynną i płaską odpowiedź pasma przepustowego bez tętnień. Zapewnia naturalne, wolne od zniekształceń wyjście, co czyni go doskonałym do dźwięku i filtrowania. Jego wadą jest umiarkowany wskaźnik staczania się w porównaniu z innymi rodzinami, co oznacza, że jest mniej selektywny, gdy potrzebne jest ostre odcięcie.
Filtr Bessela
Filtr Bessela został zaprojektowany z myślą o dokładności w dziedzinie czasu, oferując prawie liniową odpowiedź fazową i minimalne zniekształcenia przebiegu. To sprawia, że najlepiej nadaje się do zastosowań takich jak transmisja danych lub audio, gdzie wymagane jest zachowanie kształtu sygnału. Jego selektywność częstotliwościowa jest słaba, więc nie może tak skutecznie odrzucać pobliskich niechcianych sygnałów.
Filtr Czebyszewa
Filtr Czebyszewa zapewnia znacznie szybszy spływ niż filtr Butterwortha, umożliwiając bardziej strome przejścia przy użyciu mniejszej liczby komponentów. Osiąga to, umożliwiając kontrolowane tętnienie w paśmie przepustowym. Chociaż jest wydajny, tętnienie może zniekształcać wrażliwe sygnały, co czyni go mniej odpowiednim do precyzyjnego dźwięku.
Filtr eliptyczny
Filtr eliptyczny oferuje najbardziej strome pasmo przejścia dla najmniejszej liczby komponentów, dzięki czemu jest niezwykle wydajny w zastosowaniach wąskopasmowych. Kompromisem jest tętnienie zarówno w paśmie przepustowym, jak i pasmie zatrzymania, co może wpływać na wierność sygnału. Mimo to konstrukcje eliptyczne są często stosowane w systemach radiowych i komunikacyjnych, w których wymagane jest ostre odcięcie.
Charakterystyka filtra: f₀, BW i Q
• Częstotliwość środkowa (f₀): Jest to częstotliwość w środku pasma, przez którą przechodzi lub blokuje filtr. Znajduje się go, mnożąc dolną częstotliwość odcięcia i górną częstotliwość odcięcia, a następnie biorąc pierwiastek kwadratowy.
• Szerokość pasma (BW): Jest to rozmiar zakresu między górną i dolną częstotliwością graniczną. Mniejsza szerokość pasma oznacza, że filtr pozwala tylko na wąski zakres częstotliwości, podczas gdy większa szerokość pasma oznacza, że obejmuje więcej.
• Współczynnik jakości (Q): Określa, jak ostry lub selektywny jest filtr. Oblicza się go, dzieląc częstotliwość środkową przez szerokość pasma. Wyższa wartość Q oznacza, że filtr skupia się ściślej wokół częstotliwości środkowej, podczas gdy niższa wartość Q oznacza, że obejmuje szerszy zakres.
Etapy procesu projektowania filtra
• Zdefiniuj wymagania, takie jak częstotliwość odcięcia, stopień tłumienia potrzebny dla niepożądanych sygnałów, dopuszczalny poziom tętnień w paśmie przepustowym oraz limity opóźnienia grupowego. Te specyfikacje stanowią podstawę projektu.
• Wybierz typ filtra w zależności od celu: dolnoprzepustowy, aby zezwolić na niskie częstotliwości, górnoprzepustowy, aby zezwolić na wysokie częstotliwości, pasmowo-przepustowy, aby zezwolić na zakres lub pasmo-stop, aby zablokować zakres.
• Wybierz rodzinę odpowiedzi, która najlepiej pasuje do aplikacji. Butterworth oferuje płaski pas przepustowy, Bessel utrzymuje dokładność czasu, Chebyshev zapewnia ostrzejsze odchylenie, a eliptyczny zapewnia najbardziej strome przejście dzięki kompaktowej konstrukcji.
• Oblicz kolejność filtra, która określa, jak gwałtownie może on tłumić niepożądane częstotliwości. Filtry wyższego rzędu zapewniają większą selektywność, ale wymagają większej liczby komponentów.
• Wybierz topologię, aby zaimplementować projekt. Pasywne filtry RC są proste, aktywne filtry wzmacniacza operacyjnego umożliwiają wzmocnienie i buforowanie, a cyfrowe filtry FIR lub IIR są szeroko stosowane w nowoczesnym przetwarzaniu.
• Przeprowadź symulację i prototyp filtra przed jego zbudowaniem. Symulacje i wykresy Bodego pomagają potwierdzić wydajność, podczas gdy prototypy weryfikują, czy filtr spełnia zdefiniowane wymagania w praktyce.
Zastosowania filtrów w elektronice
Elektronika audio
Filtry kształtują dźwięk w korektorach, zwrotnicach, syntezatorach i obwodach słuchawkowych. Kontrolują balans częstotliwości, poprawiają klarowność i zapewniają płynny przepływ sygnału zarówno w konsumenckim, jak i profesjonalnym sprzęcie audio.
Systemy zasilania
Filtry harmonicznych i filtry tłumiące zakłócenia elektromagnetyczne są niezbędne w napędach silnikowych, systemach UPS i przetwornicach mocy. Chronią wrażliwe urządzenia, poprawiają jakość energii i redukują zakłócenia elektromagnetyczne.
Akwizycja danych
Filtry antyaliasingowe są stosowane przed przetwornikami analogowo-cyfrowymi (ADC), aby zapobiec zniekształceniom sygnału. W instrumentach biomedycznych, takich jak monitory EEG i EKG, filtry wyodrębniają znaczące sygnały, usuwając niepożądane szumy.
Komunikacja
Filtry pasmowo-przepustowe i pasmowo-zaporowe mają fundamentalne znaczenie w systemach RF. Definiują kanały częstotliwości w Wi-Fi, sieciach komórkowych i komunikacji satelitarnej, umożliwiając wyraźną transmisję sygnału przy jednoczesnym odrzuceniu zakłóceń.
Wnioski
Filtry są podstawą w kształtowaniu sygnałów zapewniających czysty dźwięk, stabilną moc, dokładne dane i niezawodną komunikację. Dzięki zrozumieniu ich typów, terminów i metod projektowania, łatwiej jest wybierać lub tworzyć filtry, które zapewniają precyzję i skuteczność systemów.
Często zadawane pytania
I kwartał. Jaka jest różnica między filtrami aktywnymi i pasywnymi?
Filtry aktywne wykorzystują wzmacniacze operacyjne i mogą wzmacniać sygnały, podczas gdy filtry pasywne wykorzystują tylko rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne bez wzmocnienia.
Drugi kwartał. Czym różnią się filtry cyfrowe od filtrów analogowych?
Filtry analogowe przetwarzają sygnały ciągłe z komponentami, podczas gdy filtry cyfrowe wykorzystują algorytmy na próbkowanych sygnałach w procesorach DSP lub oprogramowaniu.
Trzeci kwartał. Dlaczego w systemach komunikacyjnych stosowane są filtry wyższego rzędu?
Zapewniają ostrzejsze odcięcia, co pozwala na lepszą separację blisko rozmieszczonych kanałów i redukcję zakłóceń.
IV kwartał. Jaka jest rola filtrów w czujnikach?
Filtry usuwają niepożądane szumy, dzięki czemu czujniki dostarczają czyste, dokładne sygnały.
Piąte miejsce. Dlaczego wymagana jest stabilność filtra?
Niestabilne filtry mogą oscylować lub zniekształcać sygnały, więc stabilność zapewnia niezawodne działanie.
Szóste miejsce. Czy filtry można dostroić?
Tak. Filtry przestrajalne dostosowują swoją częstotliwość odcięcia lub środkową, stosowane w radiach i systemach adaptacyjnych.