Электронные фильтры — это цепи, которые контролируют, какие частоты проходят, а какие блокируются, сохраняя сигналы четкими и надежными. Они используются в системах электроснабжения, аудиоустройствах, линиях связи и сборе данных. В этой статье подробно описываются типы фильтров, термины, семейства ответов, этапы проектирования и приложения.
С1. Обзор электронного фильтра
С2. Основные типы электронных фильтров
С3. Сведения о терминологии фильтра
С4. Диаграммы Боде в фильтрах
С5. Порядок фильтров и свертывание
С6. Основы пассивного фильтра
С7. Типы семейств откликов фильтров
С8. Характеристики фильтра: f₀, BW и Q
С9. Этапы процесса проектирования фильтров
С10. Применение фильтров в электронике
С11. Заключение
С12. Часто задаваемые вопросы
Обзор электронного фильтра
Электронный фильтр — это схема, которая контролирует, какие части сигнала сохраняются, а какие уменьшаются. Он работает, пропуская полезные частоты, ослабляя те, которые не нужны. В системах электроснабжения фильтры устраняют нежелательный шум и поддерживают стабильную подачу электроэнергии. В аудио они регулируют качество звука и разделяют диапазоны, такие как низкие и высокие частоты. При общении фильтры помогают сигналам оставаться четкими и точными. Без них многие системы не будут работать гладко и надежно.
Основные типы электронных фильтров
Фильтр нижних частот (LPF)
ФНЧ пропускает сигналы ниже частоты среза и ослабляет более высокие. Он сглаживает выходы источника питания, устраняет шум в звуке и предотвращает искажение в цифровых схемах. Простой RC-фильтр является распространенным примером.
Фильтр высоких частот (HPF)
ВПЧ пропускает частоты выше среза и блокирует более низкие. Он используется в аудио для твитеров, в связи переменного тока для устранения смещения постоянного тока и в приборах для уменьшения дрейфа. Последовательный конденсатор на входе усилителя является базовой формой.
Полосовой фильтр (BPF)
BPF пропускает только выбранную полосу частот, отвергая при этом другие. Он необходим в радиоприемниках, беспроводной связи и медицинских устройствах, таких как ЭКГ. Схема с настройкой LC в FM-радиоприемниках является классическим примером.
Полосовой фильтр / режекторный фильтр (BSF)
BSF ослабляет узкую полосу частот, проходя через те, которые выше и ниже. Он устраняет гул в звуке, устраняет помехи в связи и подавляет шум в инструментах. ДвухТ-образный режекторный фильтр является хорошо известной конструкцией.
Отфильтруйте терминологию
Полоса пропускания
Полоса пропускания — это частотный диапазон, через который фильтр позволяет пройти с минимальным затуханием. Например, в телефонии полоса голосов от 300 Гц до 3,4 кГц сохраняется, поэтому речь остается четкой. Широкая плоская полоса пропускания гарантирует, что желаемые сигналы сохранят свою первоначальную силу и качество.
Стоп-полоса
Полоса задержки — это диапазон частот, которые фильтр сильно ослабляет для блокировки нежелательных сигналов или шума. Эта область является основной для предотвращения помех, искажений или искажения от загрязнения полезного сигнала. Чем глубже затухание в полосе задержки, тем эффективнее фильтр подавляет нежелательные частоты.
Частота среза (fc)
Частота среза обозначает границу между полосой пропускания и полосой пропускания. В большинстве конструкций фильтров, таких как фильтр Баттерворта, она определяется как частота, на которой сигнал падает на −3 дБ от уровня полосы пропускания. Этот пункт служит ориентиром для проектирования и настройки фильтров в соответствии с требованиями системы.
Переходная полоса
Переходная полоса — это область наклона, в которой выходной сигнал фильтра смещается из полосы пропускания в полосу пропускания. Более узкая переходная полоса указывает на более четкий и избирательный фильтр, что желательно в таких приложениях, как разделение каналов в системах связи. Более резкие переходы часто требуют более сложных конструкций фильтров или схем более высокого порядка.
Диаграммы Боде в фильтрах
Магнитуда
На графике амплитуды показано усиление фильтра (в децибелах) в зависимости от частоты. Например, в фильтре нижних частот отклик остается неизменным на уровне около 0 дБ в полосе пропускания, а затем начинает снижаться после частоты среза, что указывает на затухание более высоких частот. Крутизна этого спада зависит от порядка фильтров: фильтры более высокого порядка обеспечивают более резкие переходы между полосой пропускания и полосой пропускания. Графики магнитуды позволяют легко увидеть, насколько хорошо фильтр блокирует нежелательные частоты, сохраняя при этом желаемый диапазон.
Фазовый график
Фазовый график показывает, как фильтр смещает фазу сигналов на разных частотах. Это мера задержки сигнала. На низких частотах фазовый сдвиг часто минимален, но по мере увеличения частоты, в районе среза, фильтр вносит большую задержку. Фазовая характеристика является основной в чувствительных ко времени системах, таких как обработка звука, каналы связи и системы управления, где даже небольшие временные ошибки могут повлиять на производительность.
Порядок фильтров и ролл-офф
| Порядок фильтров | Полюса/Нули | Скорость спада | Описание |
|---|---|---|---|
| 1-й Орден | Один столб | \~20 дБ/десятилетие | Базовый фильтр с постепенным затуханием. |
| 2-й Орден | Два полюса | \~40 дБ/десятилетие | Более острый срез по сравнению с 1-м заказом. |
| 3-й Орден | Три полюса | \~60 дБ/десятилетие | Более сильное затухание, более селективное. |
| N-й порядок | N полюсов | N × 20 дБ/десятилетие | Более высокий порядок обеспечивает более крутой спад, но увеличивает сложность схемы. |
Основы пассивного фильтра
Радиоуправляемые фильтры
RC-фильтры представляют собой простейшую пассивную конструкцию, использующую резистор и конденсатор в комбинации. Наиболее распространенной формой является RC-фильтр нижних частот, который позволяет пропускать низкие частоты, ослабляя высокие частоты. Его частота среза определяется как:
fc =
Они лучше всего подходят для сглаживания сигналов в блоках питания, устранения высокочастотных шумов и обеспечения базового преобразования сигнала в аудиоцепях или цепях датчиков.
Фильтры RL
В фильтрах RL используются резистор и катушка индуктивности, что делает их более подходящими для цепей, работающих с большими токами. Фильтр нижних частот RL может сглаживать ток в системах питания, в то время как фильтр верхних частот RL эффективно блокирует постоянный ток при передаче сигналов переменного тока. Поскольку катушки индуктивности устойчивы к изменениям тока, фильтры RL часто выбирают в тех случаях, когда важна энергоэффективность и эффективность.
Фильтры RLC
Фильтры RLC сочетают в себе резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы для создания более избирательных откликов. В зависимости от того, как расположены компоненты, сети RLC могут образовывать полосовые фильтры или режекторные фильтры. Они необходимы при настройке радиоприемников, генераторов и коммуникационных цепей, где важна точность частоты.
Типы семейств откликов фильтров
Фильтр Баттерворта
Фильтр Баттерворта ценится за его плавный и плоский отклик полосы пропускания без пульсаций. Он обеспечивает естественный вывод без искажений, что делает его отличным для аудио и фильтрации. Его недостатком является умеренная скорость отсеивания по сравнению с другими семействами, что означает, что он менее избирательен, когда требуется резкое отсечивание.
Фильтр Бесселя
Фильтр Бесселя разработан для обеспечения точности во временной области, обеспечивая почти линейную фазовую характеристику и минимальные искажения формы сигнала. Это делает его оптимальным для таких приложений, как передача данных или аудио, где требуется сохранение формы сигнала. Его частотная избирательность слабая, поэтому он не может так же эффективно отклонять близлежащие нежелательные сигналы.
Фильтр Чебышева
Фильтр Чебышева обеспечивает гораздо более быстрый скат, чем фильтр Баттерворта, что позволяет создавать более крутые переходы с меньшим количеством компонентов. Это достигается за счет контролируемой пульсации в полосе пропускания. Несмотря на свою эффективность, пульсации могут искажать чувствительные сигналы, что делает их менее подходящими для точного звука.
Эллиптический фильтр
Эллиптический фильтр обеспечивает самую крутую переходную полосу для наименьшего количества компонентов, что делает его чрезвычайно эффективным для узкополосных приложений. Компромиссом является пульсация как в полосе пропускания, так и в полосе пропускания, что может повлиять на точность сигнала. Несмотря на это, эллиптические конструкции часто используются в радиочастотных и коммуникационных системах, где требуется резкое отключение.
Характеристики фильтра: f₀, BW и Q
• Центральная частота (f₀): это частота в середине полосы, которую пропускает или блокирует фильтр. Он находится путем умножения нижней частоты среза на верхнюю частоту среза, а затем извлекается квадратный корень.
• Полоса пропускания (BW): это величина диапазона между верхней и нижней частотами среза. Меньшая полоса пропускания означает, что фильтр допускает только узкий диапазон частот, в то время как большая полоса пропускания означает, что он охватывает больше.
• Добротность (Q): показывает, насколько резким или избирательным является фильтр. Он рассчитывается путем деления центральной частоты на ширину полосы. Более высокое значение добротности означает, что фильтр более плотно фокусируется вокруг центральной частоты, в то время как более низкое значение добротности означает, что он охватывает более широкий диапазон.
Этапы процесса проектирования фильтров
• Определите такие требования, как частота среза, необходимая величина затухания для нежелательных сигналов, допустимый уровень пульсаций в полосе пропускания и пределы групповой задержки. Эти спецификации закладывают основу для дизайна.
• Выберите тип фильтра в зависимости от цели: фильтр низких частот для низких частот, фильтр высоких частот для высоких частот, полосовой фильтр для диапазона или ограничитель полосы пропускания для блокировки диапазона.
• Выберите семейство ответов, которое лучше всего подходит для приложения. Баттерворт предлагает плоскую полосу пропускания, Бессель поддерживает точность времени, Чебышев обеспечивает более резкий скат, а эллиптический обеспечивает самый крутой переход при компактной конструкции.
• Рассчитайте порядок работы фильтра, который определяет, насколько круто он может ослаблять нежелательные частоты. Фильтры более высокого порядка обеспечивают более высокую селективность, но требуют большего количества компонентов.
• Выберите топологию для реализации проекта. Пассивные RC-фильтры просты, активные операционные фильтры обеспечивают усиление и буферизацию, а цифровые КИХ- или БИХ-фильтры широко используются в современной обработке.
• Моделирование и прототипирование фильтра перед его созданием. Моделирование и диаграммы Боде помогают подтвердить производительность, в то время как прототипы на практике подтверждают, что фильтр соответствует заданным требованиям.
Применение фильтров в электронике
Аудиоэлектроника
Фильтры формируют звук в эквалайзерах, кроссоверах, синтезаторах и схемах наушников. Они контролируют частотный баланс, улучшают четкость и обеспечивают плавный поток сигнала как в потребительском, так и в профессиональном аудиооборудовании.
Энергетические системы
Фильтры гармоник и фильтры подавления электромагнитных помех необходимы в электроприводах, системах бесперебойного питания и преобразователях питания. Они защищают чувствительное оборудование, улучшают качество электроэнергии и снижают электромагнитные помехи.
Сбор данных
Фильтры сглаживания используются перед аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) для предотвращения искажения сигнала. В биомедицинских приборах, таких как мониторы ЭЭГ и ЭКГ, фильтры извлекают значимые сигналы, удаляя нежелательный шум.
Коммуникации
Полосовые и полосовые фильтры имеют основополагающее значение в радиочастотных системах. Они определяют частотные каналы в Wi-Fi, сотовых сетях и спутниковой связи, обеспечивая четкую передачу сигнала и подавляя помехи.
Заключение
Фильтры играют ключевую роль в формировании сигналов, обеспечивая четкое звучание, стабильное питание, точность данных и надежную связь. Понимая их типы, термины и методы проектирования, становится легче выбирать или создавать фильтры, которые обеспечивают точность и эффективность систем.
Часто задаваемые вопросы
В1. В чем разница между активными и пассивными фильтрами?
Активные фильтры используют операционные усилители и могут усиливать сигналы, в то время как пассивные фильтры используют только резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности без коэффициента усиления.
В2. Чем цифровые фильтры отличаются от аналоговых?
Аналоговые фильтры обрабатывают непрерывные сигналы с компонентами, в то время как цифровые фильтры используют алгоритмы дискретизации сигналов в цифровых сигналах или программном обеспечении.
В3. Почему в системах связи используются фильтры высшего порядка?
Они обеспечивают более резкие срезы, что позволяет лучше разделять близко расположенные каналы и снижать помехи.
В4. Какова роль фильтров в датчиках?
Фильтры удаляют нежелательные шумы, поэтому датчики выдают чистые и точные сигналы.
В5. Почему требуется стабильность фильтра?
Нестабильные фильтры могут колебаться или искажать сигналы, поэтому стабильность обеспечивает надежную работу.
В6. Можно ли настроить фильтры?
Да. Перестраиваемые фильтры регулируют свою частоту среза или центр, используемую в радиоприемниках и адаптивных системах.