Mis on ülipääsude filter? Vooluahela skeem, omadused ja rakendused

Mis on ülipääsude filter? Vooluahela skeem, omadused ja rakendused

Oli ajastu, kus kauguskohtade kaudu telefonikõne ajal tuli suu panna saatjale väga lähedale, rääkida väga aeglaselt ja väga valjult, nii et sõnum oleks teises otsas oleval inimesel selgelt kuulda. Täna saame kvaliteetse eraldusvõimega isegi kogu maailmas videokõnesid teha. Sellise tohutu tehnoloogia arengu saladus peitub Elektriline filter teooria ja Ülekandeliini teooria . Elektrilised filtrid on vooluringid, mis läbivad ainult valitud sagedusriba, summutades samal ajal muid soovimatuid sagedusi. Üks sellistest filtritest on Ülipääsfilter .



Mis on ülipääsude filter?

Ülemäärase filtri määratlus on filter, mis läbib ainult neid signaale, mille sagedused on piirsagedustest kõrgemad, summutades seeläbi madalama sagedusega signaale. Väljalülitussageduse väärtus sõltub filtri konstruktsioonist.


Ülemäärase filtri ahel

Põhiline ülipääsufilter on ehitatud kondensaator ja takisti . Samal ajal kui sisendsignaal rakendatakse kondensaator , joonistatakse väljund üle takisti .





Ülemäärase filtri ahel

Ülemäärase filtri ahel

Selles vooluringi paigutuses on kondensaatoril madalatel sagedustel kõrge reaktants, nii et see toimib madalsageduslike sisendsignaalide jaoks avatud vooluringina, kuni saavutatakse piirsagedus fc Filter summutab kõik signaalid, mis on allpool piirsageduse taset. Sagedustel, mis ületavad väljalülitatud sageduse taset, muutub kondensaatori reaktants madalaks ja see toimib nende sageduste lühisena, võimaldades neil minna otse väljundisse.



Passiivne RC ülipääsude filter

Eespool näidatud kõrgpääsfilter on tuntud ka kui Passiivne RC ülipääsufilter kuna vooluring on ehitatud ainult kasutades passiivsed elemendid . Filtri töötamiseks pole vaja kasutada välist voolu. Siin on kondensaator reaktiivelement ja väljund tõmmatakse üle takisti.

Kõrgpääsfiltri omadused

Kui me räägime piirsagedus viidame punktile filtri sageduskarakteristik kus võimendus on võrdne 50% signaali tippvõimendusega, st. 3dB tipptõusust. Kõrgpääsude korral suureneb võimendus sageduste suurenemisega.


Kõrge läbipääsu filtri sageduskõver

Kõrge läbipääsu filtri sageduskõver

See piirsagedus fc sõltub vooluahela R- ja C-väärtustest. Siin on ajakonstant τ = RC, piirsagedus on pöördkontrollne ajakonstandiga.

Piiramise sagedus = 1 / 2πRC

Vooluahela võimenduse annab AV = Vout / Vin

st. AV = (Vout) / (V in) = R / √ (Rkaks+ Xckaks) = R / Z

Madalal sagedusel f: Xc → ∞, Vout = 0

Kõrgsagedusel f: Xc → 0, Vout = Vin

Kõrgpääsfiltri sagedusreaktsioon või ülipääsufiltri Bode graafik

Kõrgpääsfiltris summutatakse kõik piirid, mis asuvad piirisageduse fc all. Selles katkestatud sageduspunktis saame -3dB võimenduse ja kondensaatori ja takisti väärtused on selles punktis samad. R = Xc. Kasum arvutatakse järgmiselt

Gain (dB) = 20 logi (Vout / Vin)

Kõrge läbipääsu filtrikõvera kalle on +20 d B / dekaad. pärast piirsageduse ületamist suureneb vooluahela väljundreaktsioon 0-lt Vin-le kiirusega +20 dB kümnendi kohta, mis on 6 dB kasv oktaavi kohta.

Kõrgpääsfiltri sagedusreaktsioon

Kõrgpääsfiltri sagedusreaktsioon

Piirkond algpunktist kuni piirsageduspunktini on tuntud kui peatusriba, kuna sagedustel pole lubatud läbida. Piirkond ülemise piiripunkti kohal. st -3 dB punkti tuntakse kui pääsuriba . Väljalülitussagedusel on punkti väljundpinge amplituud 70,7% sisendpingest.

Siin filtri ribalaius tähistab sageduse väärtust, millest signaalidel lubatakse läbida. Näiteks kui ülipääsfiltri ribalaius on 50 kHz, tähendab see, et läbida lastakse ainult sagedusi vahemikus 50 kHz kuni lõpmatuseni.

Väljundsignaali faasinurk on katkestussagedusel +450. Ülipääsfiltri faasinihke arvutamise valem on

∅ = arktaan ⁡ (1 / 2πfRC)

Faasinihke kõver

Faasinihke kõver

Praktilises plaanis ei laiene filtri väljundreaktsioon lõpmatuseni. Filtrielementide elektrilised omadused rakendavad filtri reageerimisele piirangut. Filtri komponentide õige valimisega saame reguleerida summutatavate sageduste vahemikku, läbitavat vahemikku jne.

Kõrgpääsfilter Op-Amp abil

Selles ülipääsfiltris koos passiivsete filtrielementidega lisame Op-amp ringrajale. Lõputu väljundvastuse saamiseks piirab siin väljundreaktsiooni avatud silmus omadused Op-amp . Seega toimib see filter a ribapääsfilter katkestatud sagedusega, mis on määratletud Op-amp ribalaiuse ja võimendustunnustega.

Kõrgpääsfilter Op-Amp abil

Kõrgpääsfilter Op-Amp abil

Op-amp avatud pinge võimendus toimib kui ribalaius võimendi . Võimendi võimendus väheneb sisendsageduse suurenemisega 0 dB-ni. Vooluahela reaktsioon on sarnane passiivse ülipääsfiltriga, kuid siin võimendab Op-amp võimendus väljundsignaali amplituudi.

The filtri võimendus mitte-inverteeriva Op-amp abil annab:

AV = Vout / Vin = (Väljas (f / fc)) / √ (1+ (f / fc) ^ 2)

kus Af on filtri pääsuriba võimendus = 1+ (R2) / R1

f on sisendsignaali sagedus Hz-des

fc on katkestatud sagedus

Kui madal tolerantsus takistid ja kondensaatorid kasutatakse neid kõrgepääsaktiivseid filtreid, mis tagavad hea täpsuse ja jõudluse.

Aktiivne ülipääsude filter

Kõrgpääsfilter, kasutades Op-amp on tuntud ka kui aktiivne ülipääsufilter sest koos passiivsete elementidega kondensaator ja takisti aktiivne element Vooluringis kasutatakse op-amp . Selle aktiivse elemendi abil saame kontrollida filtri väljalülitussagedust ja väljundreaktsioonide vahemikku.

Teise järgu kõrgpääsfilter

Siiani nähtud filtriahelaid peetakse kõiki esimese järgu ülipääsfiltriteks. Teise järgu ülipääsufiltris lisatakse võrgule täiendav RC-võrgu plokk esimese järgu kõrgpääsfilter sisestusrajal.

Teise järgu kõrgpääsfilter

The teise järgu ülipääsfiltri sagedusreaktsioon on sarnane esimese järgu kõrgpääsfiltriga. Kuid teises järjekorras ülipääsufiltri peatusriba on kaks korda kõrgem kui esimese järgu filtril 40 dB / kümnend. Kõrgema järgu filtrid saab moodustada esimese ja teise järgu filtrite kaskaadimisega. Ehkki tellimisel pole piiranguid, suureneb filtri suurus koos nende järjekorra ja täpsuse halvenemisega. Kui kõrgemas järjekorras filtris R1 = R2 = R3 jne ... ja C1 = C2 = C3 = jne ..., siis on väljalülitamise sagedus sama, sõltumata filtri järjestusest.

Teise järgu kõrgpääsfilter

Teise järgu kõrgpääsfilter

Teise järgu kõrgepääsaktiivse filtri piirsageduse saab anda järgmiselt

fc = 1 / (2π√ (R3 R4 C1 C2))

Kõrgpääsude filtri ülekandefunktsioon

Kuna kondensaatori impedants muutub sageli, on elektroonilistel filtritel sagedusest sõltuv vastus.

Kondensaatori keeruline takistus on esitatud järgmiselt Zc = 1 / sC

Kus s = σ + jω, ω on nurksagedus radiaanides sekundis

Vooluülekande ülekandefunktsiooni leiate standardsete vooluahela analüüsi tehnikate abil, näiteks Ohmi seadus , Kirchhoffi seadused , Superpositsioon jne. Funktsiooni Transfer põhivormi annab võrrand

H (s) = (am s ^ m + a (m-1) s ^ (m-1) + ⋯ + a0) / (bn s ^ n + b (n-1) s ^ (n-1) + ⋯ + b0)

The filtri järjekord on tuntud nimetaja astme järgi. Poolakad ja nullid vooluahelast eraldatakse võrrandi juurte lahendamise teel. Funktsioonil võivad olla tõelised või keerulised juured. Nende juurte joonistamine tasapinnale, kus σ tähistatakse horisontaalteljega ja ω vertikaalteljega, näitab palju teavet vooluahela kohta. Kõrgpääsfiltri korral asub null alguspunktis.

H (jω) = Vout / Vin = (-Z2 (jω)) / (Z1 (jω))

= - R2 / (R1 + 1 / jωC)

= -R2 / R1 (1 / (1+ 1 / (jωR1C))

Siin H (∞) = R2 / R1, võimendus, kui ω → ∞

τ = R1 C ja ωc = 1 / (τ). ωc = 1 / (R1C) on piirsagedus

Seega annab ülipääsufiltri ülekandefunktsiooni H (jω) = - H (∞) (1 / (1+ 1 / jωτ))

= - H (∞) (1 / (1- (jωc) / ω))

Kui sisendsagedus on madal, on Z1 (jω) suur, seetõttu on väljundreaktsioon madal.

H (jω) = (- H (∞)) / √ (1+ (ωc / ω) ^ 2) = 0, kui ω = 0 H (∞) / √2, kui ω = ω_c

ja H (∞) kui ω = ∞. Negatiivne märk näitab siin faasinihet.

Kui R1 = R2, s = jω ja H (0) = 1

Niisiis, ülipääsufiltri H (jω) = jω / (jω + ω_c) ülekandefunktsioon

Või väärt ülipääsude filtrit

Lisaks soovimatute sageduste tagasilükkamisele peaks ideaalsel filtril olema ühtlane tundlikkus soovitud sageduste suhtes. Selline ideaalne filter on ebapraktiline. Kuid Stephen Butter, kes on väärt oma artiklis 'Filtrivõimendite teooriast', näitas, et seda tüüpi filtrit on võimalik saavutada õige suurusega filtrielementide arvu suurendamisega.

Või väärt filtrit on konstrueeritud nii, et see annab filtri läbipääsribas kindla sagedusreaktsiooni ja peatumisribas väheneb nulli suunas. Peamine prototüüp Või väärt filtrit on madalpääs disain kuid modifikatsioonide abil ülipääs ja ribapääsfiltrid saab kujundada.

Nagu ülalpool nägime, on ülipääsufiltri ühikute võimendus H (jω) = jω / (jω + ω_c)

N sellise filtri jaoks järjestikku H (jω) = (jω / (jω + ω_c)) ^ n mis lahendamisel võrdub

‘N’ kontrollib ülemineku järjekorda pääsuriba ja peatusriba vahel. Seetõttu kõrgem järjestus, kiire üleminek, nii et n = ∞ korral muutub või väärt filtriks ideaalne kõrgpääsfilter.

Selle filtri rakendamise ajal kaalume lihtsuse huvides ωc = 1 ja lahendame ülekandefunktsiooni

eest s = jω. st. H (s) = s / (s + ωc) = s / (s + 1) tellimuse 1 jaoks:

H (s) = s ^ 2 / (s ^ 2 + ∆ωs + (ωc ^ 2) 2. tellimuse jaoks

Seetõttu on kaskaadi ülekandefunktsioon ülipääsufiltris

Bode proovivõi, mis on väärt kõrge läbipääsu filtrit

Bode proovivõi, mis on väärt kõrge läbipääsu filtrit

Kõrgpääsfiltri rakendused

Kõrgpääsfiltri rakendused hõlmavad peamiselt järgmist.

  • Neid filtreid kasutatakse võimendamiseks kõlarites.
  • Kõrgläbifiltrit kasutatakse soovimatute helide eemaldamiseks helisignaali alaosa lähedal.
  • Et vältida amplifikatsiooni Alalisvool mis võivad võimendit kahjustada, kasutatakse vahelduvvoolu sidestamiseks ülipääsufiltreid.
  • Kõrgpääsfilter sisse Pilditöötlus : Kõrgpääsfiltreid kasutatakse piltide töötlemisel detailide teritamiseks. Rakendades neid filtreid pildi peal, võime liialdada iga pisikese pildi detaili osa. Kuid liialdamine võib pilti kahjustada, kuna need filtrid võimendavad pildil esinevat müra.

Nende filtrite väljatöötamisel on veel palju arenguid, et saavutada stabiilseid ja ideaalseid tulemusi. Need lihtsad seadmed mängivad olulist rolli erinevad juhtimissüsteemid , automaatsed süsteemid, pildi- ja helitöötlus. Milline rakendusest Ülipääsfilter kas olete kokku puutunud?