Elektronski filtri so vezja, ki nadzorujejo, katere frekvence prehajajo in katere so blokirane, pri čemer so signali jasni in zanesljivi. Uporabljajo se v energetskih sistemih, avdio napravah, komunikacijskih povezavah in pridobivanju podatkov. V tem članku so podrobno razložene vrste filtrov, izrazi, družine odgovorov, koraki načrtovanja in programi.
Pregled elektronskega filtra
Elektronski filter je vezje, ki nadzoruje, kateri deli signala se ohranjajo in kateri se zmanjšujejo. Deluje tako, da pusti, da uporabne frekvence minejo, medtem ko oslabi tiste, ki niso potrebne. V elektroenergetskih sistemih filtri odstranijo neželeni hrup in vzdržujejo stalno oskrbo z električno energijo. V zvoku prilagajajo kakovost zvoka in ločijo razpone, kot so nizki in visoki toni. V komunikaciji filtri pomagajo, da signali ostanejo jasni in natančni. Brez njih številni sistemi ne bi delovali gladko ali zanesljivo.
Osnovne vrste elektronskih filtrov
Nizkoprepustni filter (LPF)
LPF prenaša signale pod mejno frekvenco in slabi višje. Gladi napajalne izhode, odstranjuje šum v zvoku in preprečuje vzdevke v digitalnih vezjih. Preprost RC filter je pogost primer.
Visokoprepustni filter (HPF)
HPF prenaša frekvence nad mejno vrednostjo in blokira nižje. Uporablja se v zvoku za visokotonce, v AC sklopki za odstranitev enosmernega odmika in v instrumentih za zmanjšanje drifta. Serijski kondenzator na vhodu ojačevalnika je osnovna oblika.
Pasovni filter (BPF)
BPF dovoljuje prehod samo izbranega frekvenčnega pasu, medtem ko zavrača druge. Bistvenega pomena je pri radijskih sprejemnikih, brezžični komunikaciji in medicinskih napravah, kot so EKG. LC nastavljeno vezje v FM radijskih postajah je klasičen primer.
Pasovni stop / zarezni filter (BSF)
BSF zmanjša ozek pas frekvenc, medtem ko prehaja tiste nad in spodaj. Odstrani brnenje v zvoku, odpravi motnje v komunikaciji in zavrne hrup v instrumentih. Filter z dvojno zarezo T je dobro znana zasnova.
Podrobnosti terminologije filtra
Pas
Prehodni pas je frekvenčno območje, ki ga filter omogoča prehod z minimalnim slabljenjem. Na primer, pri telefoniji se ohrani glasovni pas od 300 Hz do 3,4 kHz, tako da govor ostane jasen. Širok, ploski pas zagotavlja, da želeni signali ohranijo svojo prvotno moč in kakovost.
Zaustavni pas
Zaustavni pas je obseg frekvenc, ki jih filter močno zmanjša, da blokira neželene signale ali hrup. To področje je osnovno pri preprečevanju motenj, popačenja ali aliasinga, da bi onesnažili uporaben signal. Globlje kot je slabljenje zaustavnega pasu, učinkovitejši je filter pri zavračanju neželenih frekvenc.
Mejna frekvenca (fc)
Mejna frekvenca označuje mejo med pasom in zavornim pasom. V večini modelov filtrov, kot je Butterworthov filter, je opredeljen kot frekvenca, pri kateri signal pade za -3 dB od ravni pasu. Ta točka služi kot referenca za načrtovanje in nastavitev filtrov za izpolnjevanje sistemskih zahtev.
Prehodni pas
Prehodni pas je območje naklona, kjer se izhod filtra premakne iz prehodnega pasu v zaustavni pas. Ožji prehodni pas označuje ostrejši, bolj selektiven filter, kar je zaželeno v aplikacijah, kot je ločevanje kanalov v komunikacijskih sistemih. Ostrejši prehodi pogosto zahtevajo bolj zapletene zasnove filtrov ali vezja višjega reda.
Bode ploskve v filtrih
Graf magnitude
Graf velikosti prikazuje povečanje filtra (v decibelih) v primerjavi s frekvenco. V nizkoprepustnem filtru, na primer, odziv ostane ravno okoli 0 dB v pasu, nato pa se začne kotaliti po mejni frekvenci, kar kaže na slabljenje višjih frekvenc. Strmina tega odklona je odvisna od vrstnega reda filtra: filtri višjega reda zagotavljajo ostrejše prehode med pasom in zavornim pasom. Grafi magnitude omogočajo enostavno videti, kako dobro filter blokira neželene frekvence, hkrati pa ohranja želeni razpon.
Fazni graf
Fazni graf prikazuje, kako filter premika fazo signalov na različnih frekvencah. To je merilo zakasnitve signala. Pri nizkih frekvencah je fazni premik pogosto minimalen, toda ko se frekvenca poveča, okoli mejne vrednosti, filter uvede večjo zamudo. Fazni odziv je osnovni v časovno občutljivih sistemih, kot so obdelava zvoka, komunikacijske povezave in nadzorni sistemi, kjer lahko tudi majhne časovne napake vplivajo na zmogljivost.
Vrstni red filtriranja in roll-off
| Vrstni red filtrov | Poli / ničle | Stopnja roll-off | Opis |
|---|---|---|---|
| 1. naročilo | En drog | \~20 dB/desetletje | Osnovni filter s postopnim slabljenjem. |
| 2. naročilo | Dva pola | \~40 dB/desetletje | Ostrejša meja v primerjavi s 1. redom. |
| 3. naročilo | Trije poli | \~60 dB/desetletje | Močnejše slabljenje, bolj selektivno. |
| N-ti vrstni red | N polov | N × 20 dB/desetletje | Višji red daje bolj strm rolling, vendar povečuje kompleksnost vezja. |
Osnove pasivnega filtra
RC filtri
RC filtri so najpreprostejša pasivna zasnova, ki uporablja upor in kondenzator v kombinaciji. Najpogostejša oblika je nizkoprepustni filter RC, ki omogoča prehod nizkih frekvenc ob slabljenju višjih frekvenc. Njegova mejna frekvenca je podana z:
fc =
Ti so najboljši za glajenje signalov v napajalnikih, odstranjevanje visokofrekvenčnega hrupa in zagotavljanje osnovnega kondicioniranja signala v avdio ali senzorskih vezjih.
Filtri RL
RL filtri uporabljajo upor in induktor, zaradi česar so primernejši za vezja, ki obdelujejo večje tokove. Nizkoprepustni filter RL lahko gladi tok v energetskih sistemih, medtem ko je visokoprepustni filter RL učinkovit pri blokiranju enosmernega toka med prenosom izmeničnih signalov. Ker so induktorji odporni na spremembe toka, so RL filtri pogosto izbrani v aplikacijah, kjer sta pomembna ravnanje z energijo in učinkovitost.
RLC filtri
RLC filtri združujejo upore, induktorje in kondenzatorje, da ustvarijo bolj selektivne odzive. Glede na to, kako so komponente razporejene, lahko omrežja RLC tvorijo pasovne filtre ali zareze filtre. Ti so potrebni pri uglaševanju radijskih sprejemnikov, oscilatorjev in komunikacijskih vezij, kjer je pomembna frekvenčna natančnost.
Vrste družin odzivov filtrov
Butterworthov filter
Butterworthov filter je cenjen zaradi gladkega in ravnega odziva pasu brez valovanja. Zagotavlja naraven izhod brez popačenja, zaradi česar je odličen za zvok in filtriranje. Njegova pomanjkljivost je zmerna stopnja odklona v primerjavi z drugimi družinami, kar pomeni, da je manj selektivna, ko je potrebna ostra meja.
Besselov filter
Besselov filter je zasnovan za natančnost časovne domene, ki ponuja skoraj linearni fazni odziv in minimalno popačenje valovne oblike. Zaradi tega je najprimernejši za aplikacije, kot so podatkovna komunikacija ali avdio, kjer je potrebno ohranjanje oblike signala. Njegova frekvenčna selektivnost je slaba, zato ne more tako učinkovito zavrniti bližnjih neželenih signalov.
Čebišev filter
Čebišev filter zagotavlja veliko hitrejše kotaljenje kot Butterworth, kar omogoča bolj strme prehode z manj komponentami. To doseže tako, da omogoča nadzorovano valovanje v pasu. Čeprav je valovitost učinkovita, lahko izkrivlja občutljive signale, zaradi česar je manj primerna za natančen zvok.
Eliptični filter
Eliptični filter ponuja najbolj strm prehodni pas za najmanjše število komponent, zaradi česar je izjemno učinkovit za ozkopasovne aplikacije. Kompromis je valovitost v pasu in zaustavnem pasu, kar lahko vpliva na zvestobo signala. Kljub temu se eliptični modeli pogosto uporabljajo v RF in komunikacijskih sistemih, kjer je potrebna ostra prekinitev.
Značilnosti filtra: f ₀, črno-belo in q
• Osrednja frekvenca (f₀): To je frekvenca na sredini pasu, ki jo filter prehaja ali blokira. Najdemo ga tako, da pomnožimo spodnjo in zgornjo mejno frekvenco, nato pa vzamemo kvadratni koren.
• Pasovna širina (BW): To je velikost območja med zgornjo in spodnjo mejno frekvenco. Manjša pasovna širina pomeni, da filter omogoča le ozek razpon frekvenc, medtem ko večja pasovna širina pomeni, da pokriva več.
• Faktor kakovosti (Q): To pove, kako oster ali selektiven je filter. Izračuna se tako, da se osrednja frekvenca deli s pasovno širino. Višja vrednost Q pomeni, da se filter bolj osredotoči na osrednjo frekvenco, medtem ko nižja vrednost Q pomeni, da pokriva širši razpon.
Koraki v postopku oblikovanja filtra
• Določite zahteve, kot so presečna frekvenca, količina slabljenja, potrebna za neželene signale, sprejemljiva raven valovanja v pasu in omejitve za skupinsko zakasnitev. Te specifikacije postavljajo temelje za oblikovanje.
• Izberite vrsto filtra, odvisno od cilja: nizkoprepustni, da omogočite nizke frekvence, visokoprepustni, da omogočite visoke frekvence, pasovni, da omogočite razpon, ali pasovno zaustavitev, da blokirate razpon.
• Izberite družino odgovorov, ki najbolje ustreza aplikaciji. Butterworth ponuja ravno pas, Bessel ohranja časovno natančnost, Chebyshev zagotavlja ostrejši roll-off in eliptični daje najbolj strm prehod s kompaktno zasnovo.
• Izračunajte vrstni red filtra, ki določa, kako strmo lahko zmanjša neželene frekvence. Filtri višjega reda zagotavljajo večjo selektivnost, vendar zahtevajo več komponent.
• Izberite topologijo za izvedbo načrta. Pasivni RC filtri so preprosti, aktivni filtri operacijskega ojačevalnika omogočajo ojačitev in medpomnjenje, digitalni filtri FIR ali IIR pa se pogosto uporabljajo v sodobni obdelavi.
• Simulirajte in prototipirajte filter, preden ga zgradite. Simulacije in Bodejevi diagrami pomagajo potrditi zmogljivost, medtem ko prototipi preverjajo, ali filter izpolnjuje določene zahteve v praksi.
Uporaba filtrov v elektroniki
Avdio elektronika
Filtri oblikujejo zvok v izenačevalnikih, križalnicah, sintetizatorjih in vezjih za slušalke. Nadzorujejo frekvenčno ravnovesje, izboljšujejo jasnost in zagotavljajo nemoten pretok signala v potrošniški in profesionalni avdio opremi.
Energetski sistemi
Harmonični filtri in filtri za zatiranje EMI so bistvenega pomena v motornih pogonih, sistemih UPS in pretvornikih moči. Ščitijo občutljivo opremo, izboljšujejo kakovost energije in zmanjšujejo elektromagnetne motnje.
Pridobivanje podatkov
Filtri proti aliasingu se uporabljajo pred analogno-digitalnimi pretvorniki (ADC), da preprečijo popačenje signala. V biomedicinskih instrumentih, kot so EEG in EKG monitorji, filtri pridobivajo pomembne signale z odstranjevanjem neželenega hrupa.
Komunikacije
Pasovni in pasovni filtri so bistvenega pomena v RF sistemih. Določajo frekvenčne kanale v Wi-Fi, mobilnih omrežjih in satelitski komunikaciji, kar omogoča jasen prenos signala, hkrati pa zavrača motnje.
Zaključek
Filtri so osnovni pri oblikovanju signalov za jasen zvok, stabilno moč, natančne podatke in zanesljivo komunikacijo. Z razumevanjem njihovih vrst, izrazov in metod oblikovanja je lažje izbrati ali ustvariti filtre, ki ohranjajo sisteme natančne in učinkovite.
Pogosto zastavljena vprašanja
Vprašanje 1. Kakšna je razlika med aktivnimi in pasivnimi filtri?
Aktivni filtri uporabljajo operacijske ojačevalce in lahko ojačijo signale, medtem ko pasivni filtri uporabljajo samo upornike, kondenzatorje in induktorje brez ojačitve.
Vprašanje 2. Kako se digitalni filtri razlikujejo od analognih?
Analogni filtri obdelujejo neprekinjene signale s komponentami, medtem ko digitalni filtri uporabljajo algoritme na vzorčenih signalih v DSP-jih ali programski opremi.
Vprašanje 3. Zakaj se v komunikacijskih sistemih uporabljajo filtri višjega reda?
Zagotavljajo ostrejše mejne vrednosti, kar omogoča boljše ločevanje tesno razporejenih kanalov in zmanjšanje motenj.
Vprašanje 4. Kakšna je vloga filtrov v senzorjih?
Filtri odstranijo neželeni hrup, tako da senzorji dajejo čiste in natančne signale.
Vprašanje 5. Zakaj je potrebna stabilnost filtra?
Nestabilni filtri lahko nihajo ali izkrivljajo signale, zato stabilnost zagotavlja zanesljivo delovanje.
V6. Ali je mogoče filtre nastaviti?
Da. Nastavljivi filtri prilagajajo njihovo mejno ali osrednjo frekvenco, ki se uporablja v radijskih postajah in prilagodljivih sistemih.