Τι είναι το High Pass Filter: Working & Its Applications

Τα φίλτρα είναι τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που επιτρέπουν συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας και εξασθενίζουν τα ανεπιθύμητα στοιχεία συχνότητας ενός σήματος εισόδου. Αυτά βρίσκονται σε διάφορες ηλεκτρονικές εφαρμογές που επιτρέπουν ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων ενός σήματος. Βασικά, τα φίλτρα χωρίζονται σε δύο τύπους με βάση τον τύπο των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό και τη λειτουργία. Είναι παθητικά φίλτρα και ενεργά φίλτρα. Ανάλογα με το εύρος των συχνοτήτων, τα φίλτρα χωρίζονται σε 4 τύπους. Είναι φίλτρα χαμηλής διέλευσης, φίλτρα υψηλής διέλευσης, φίλτρα ζώνης διέλευσης και φίλτρα ζώνης διακοπής. Αυτό το άρθρο περιγράφει το φίλτρο υψηλής διέλευσης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως ενεργό φίλτρο όσο και ως παθητικό φίλτρο. Τι είναι το φίλτρο υψηλής διέλευσης; Το φίλτρο έχει τη δυνατότητα να επιτρέπει στοιχεία υψηλής συχνότητας ενός σήματος και εξασθενεί όλα τα συστατικά χαμηλής συχνότητας ενός σήμα, είναι γνωστό ως High Pass Filter. Μπορεί να επιτρέψει στα εξαρτήματα υψηλής συχνότητας μεγαλύτερα από τη συχνότητα διακοπής και απορρίπτει όλα τα άλλα ανεπιθύμητα στοιχεία συχνότητας ενός σήματος. Αυτοί οι τύποι φίλτρων βρίσκονται σε διάφορα κυκλώματα RF και συστήματα επεξεργασίας σήματος. Στην πράξη, αυτό το φίλτρο θα επιτρέψει χαμηλότερες συχνότητες ενός σήματος, η οποία είναι χαμηλότερη από τη συχνότητα διακοπής. Κύκλωμα φίλτρου υψηλής διέλευσης Αυτό το κύκλωμα είναι το ίδιο με αυτό του κυκλώματος φίλτρου χαμηλής διέλευσης, εκτός από το ότι η αντίσταση και ο πυκνωτής εξαρτημάτων εναλλάσσονται όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.Υψηλοπερατό κύκλωμα φίλτρου Δύο παθητικά στοιχεία αντίστασης και πυκνωτής συνδέονται σε σειρά για να επιτρέψουν τις συχνότητες υψηλότερες από τη συχνότητα αποκοπής ενός σήματος. Η τάση εξόδου ενός σήματος λαμβάνεται κατά μήκος της αντίστασης εφαρμόζοντας τάση εισόδου στον πυκνωτή. Αυτός ο τύπος φίλτρου υπάγεται στο κύκλωμα φίλτρου υψηλής διέλευσης πρώτης τάξης. Ο HPF δεύτερης τάξης δεν είναι παρά μια αλληλουχία δύο κυκλωμάτων φίλτρου υψηλής διέλευσης RC σε σειρά. Η αύξηση του κέρδους της ζώνης διέλευσης στον HPF δεύτερης τάξης θα είναι σε ρυθμό +40dB/δεκαετία. Παθητικό RC HPCTΤο παθητικό κύκλωμα φίλτρου υψηλής διέλευσης RC μπορεί να σχεδιαστεί σε δύο συνδυασμούς όπως αντίσταση και πυκνωτή (παθητικός RC HPF). αντίσταση και επαγωγέας (παθητικός RL HPF) με βάση την εφαρμογή. Το παθητικό RC HPF χρησιμοποιείται για εφαρμογές σε περιοχές ήχου ή χαμηλής συχνότητας. Τα παθητικά κυκλώματα RL HPF χρησιμοποιούνται για εφαρμογές σε εύρος RF ή υψηλής συχνότητας. Το κύκλωμα φίλτρου υψηλής διέλευσης ονομάζεται επίσης παθητικό φίλτρο υψηλής διέλευσης RC λόγω της χρήσης παθητικών στοιχείων όπως αντίσταση και πυκνωτής. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζεται να εφαρμοστεί εξωτερική τροφοδοσία ή εξαρτήματα ενίσχυσης. Ο παθητικός RC HPF είναι ένα απλό κύκλωμα RC HPF, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Ο πυκνωτής και η αντίσταση συνδέονται σε σειρά όπου η τάση εξόδου αναπτύσσεται κατά μήκος της αντίστασης. Λόγω της αντίδρασης του πυκνωτή, το φίλτρο επιτρέπει μόνο υψηλές συχνότητες σήματος μεγαλύτερες από τη συχνότητα διακοπής και μπλοκάρει τις χαμηλότερες συχνότητες ενός σήματος κάτω από τη συχνότητα διακοπής. Αυτά τα χαρακτηριστικά φίλτρου υψηλής διέλευσης εξηγούνται ως προς την απόκριση συχνότητας και τη μετατόπιση φάσης ενός σήματος εξόδου. Ιδανικά χαρακτηριστικά Το κύριο χαρακτηριστικό ενός HPF είναι ότι επιτρέπει σε όλα τα εξαρτήματα υψηλής συχνότητας μεγαλύτερα από τη συχνότητα διακοπής και εξασθενεί όλες τις χαμηλές συχνότητες ενός σήματος, τα οποία είναι χαμηλότερα από τη συχνότητα διακοπής. Τα ιδανικά χαρακτηριστικά ενός HPF φαίνονται παρακάτω. Η ζώνη διέλευσης αναφέρεται ως HPF που επιτρέπει υψηλότερες συχνότητες μεγαλύτερες από τη συχνότητα διακοπής. Αυτό το φίλτρο εξασθενεί τις χαμηλές συχνότητες, οι οποίες αναφέρονται ως ζώνη διακοπής.Ιδανικά Χαρακτηριστικά Απόκρισης Συχνότητας High Pass Filter Η συχνότητα ενός σήματος εξόδου είναι ευθέως ανάλογη με το κέρδος. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, το κέρδος αυξάνεται. Η απόκριση συχνότητας ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης RC εξαρτάται από την αντιδραστικότητα ενός πυκνωτή. Ο πυκνωτής παράγει την απαιτούμενη ποσότητα αντίδρασης ή υψηλής αντίδρασης για να εξασθενήσει τις χαμηλές συχνότητες ενός σήματος, δηλαδή κάτω από τη συχνότητα διακοπής. Σε χαμηλή αντίδραση του πυκνωτή, το υψηλοπερατό φίλτρο RC επιτρέπει τα στοιχεία υψηλής συχνότητας ενός σήματος, δηλαδή μεγαλύτερη από τη συχνότητα αποκοπής. Αλλά, πρακτικά, το φίλτρο υψηλής διέλευσης RC επιτρέπει τις χαμηλές συχνότητες κάτω από τη συχνότητα αποκοπής του. Το κέρδος του φίλτρου υψηλής διέλευσης RC γίνεται ενότητα όταν η αντίδραση είναι χαμηλή/μηδέν σε υψηλές συχνότητες. Δηλαδή η τάση εξόδου είναι ίδια με τη δεδομένη τάση εισόδου. Για να επιτρέπονται οι υψηλές συχνότητες και να απορρίπτονται οι χαμηλές συχνότητες, η χωρητική αντίδραση μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας, η οποία οδηγεί σε αύξηση της τάσης εξόδου και του κέρδους. Η χωρητική αντίσταση δίνεται ως:Χαρακτηριστικά RC HPF Από το σχήμα, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι οι χαμηλές συχνότητες μπλοκάρονται/απορρίπτονται και αυξάνουν την τάση εξόδου κατά +20dB/δεκαετία όταν η συχνότητα είναι στη συχνότητα διακοπής και R = Xc. Το φίλτρο υψηλής διέλευσης RC επιτρέπει τις υψηλές συχνότητες (από συχνότητα αποκοπής έως άπειρο) όταν η τάση εξόδου είναι 0.7071 ή 70.71% της τάσης εισόδου του, δηλαδή, σε επίπεδα εισόδου και εξόδου -3dB (υπολογίζοντας 20 log Vout/Vin). Αυτό σημαίνει ότι η απόκριση συχνότητας ενός HPF είναι ότι επιτρέπονται σήματα υψηλής συχνότητας από συχνότητα διακοπής στο άπειρο. Στη συχνότητα διακοπής, η μετατόπιση φάσης του σήματος εισόδου και του σήματος εξόδου είναι η ίδια, δηλαδή, στις 45 °. Όταν η συχνότητα ενός σήματος είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα διακοπής, η γωνία φάσης είναι μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι το σήμα εξόδου βρίσκεται σε φάση σε σχέση με το σήμα εισόδου σε υψηλές συχνότητες. Ο χρόνος που απαιτείται για τη φόρτιση και την εκφόρτιση ενός πυκνωτή εκφράζεται με τη μορφή της χρονικής σταθεράς, που συμβολίζεται με 'τ'. Η σταθερά χρόνου ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης RC δίνεται ως δίνεται ως Φ = tan-1 (2/1πfRC) Όπου 'fc' = συχνότητα διακοπής σε Hz'f '= συχνότητα λειτουργίας σε Hz'R' = τιμή αντίστασης σε ωμ'C '= τιμή πυκνωτή στο FaradsHigh Pass Το φίλτρο υψηλής διέλευσης που χρησιμοποιεί op-amp είναι πολύ εύκολο να σχεδιαστεί και να εφαρμοστεί επειδή χρησιμοποιεί περιορισμένο αριθμό. ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και αφαιρεί θόρυβο και βουητό. Το διάγραμμα κυκλώματος του υψηλοπερατού φίλτρου με χρήση οπ-ενισχυτή φαίνεται παρακάτω. Ο παθητικός RC HPF είναι συνδεδεμένος με το μη αναστρέψιμο op-amp για έλεγχο ενίσχυσης και αύξησης τάσης.High Pass Filter με χρήση Op-AmpΗ έξοδος περιορίζεται από τα χαρακτηριστικά ανοιχτού βρόχου του op-amp. Η έξοδος του RC HPF εφαρμόζεται σε ένα op-amp για την ενίσχυση και τον έλεγχο της αύξησης τάσης του σήματος εξόδου. Το κέρδος τάσης του φίλτρου υψηλής διέλευσης χρησιμοποιώντας Op-amp δίνεται ωςAᵥ = Vout/Vin = Af (f /fc)/√ (1+ (f/fc) 2) Όπου Av = κέρδος τάσης σε dB = 1+R2/R1Af = κέρδος ζώνης διέλευσηςfc = συχνότητα διακοπής σε Hzf = συχνότητα λειτουργίας σε Hz Όταν f <fc (χαμηλές συχνότητες) , μετά Vout/Vin < AfWhen f = fc (στη συχνότητα αποκοπής), μετά Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfΌταν f > fc (υψηλές συχνότητες), τότε Vout/Vin = AfΤο εύρος ζώνης κλειστού βρόχου του το Op-amp καθορίζει την υψηλότερη συχνότητα του HPF, η οποία έχει το σταθερό κέρδος ζώνης διέλευσης Af. Το μέγεθος του κέρδους τάσης δίνεται ως Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ) Ενεργό φίλτρο υψηλής διέλευσης Εάν το φίλτρο υψηλής διέλευσης RC είναι συνδεδεμένο με το ενεργό στοιχείο όπως το op-amp για να επιτρέψει τις υψηλές συχνότητες και απορρίπτει τις χαμηλές συχνότητες, τότε ονομάζεται ενεργός HPF. Η απόκριση συχνότητας και η μετατόπιση φάσης του ενεργού HPF είναι οι ίδιες με τις RC HPF. Ο σκοπός του ενεργού φίλτρου υψηλής διέλευσης είναι ο έλεγχος της απόδοσης τάσης και η ενίσχυση του σήματος εξόδου. Το διάγραμμα κυκλώματος του ενεργού φίλτρου υψηλής διέλευσης για ενίσχυση φαίνεται παρακάτω.Ενεργός HPF για ενίσχυση Η έξοδος και η συχνότητα αποκοπής του παθητικού υψηλοπερατού φίλτρου ελέγχεται από τον ενισχυτή ενεργοποίησης. Όπου το εύρος ζώνης και τα χαρακτηριστικά κέρδους του op-amp καθορίζουν τη συχνότητα διακοπής. Αυτός ο τύπος φίλτρου λειτουργεί ως ζωνοπερατό φίλτρο. Ο ενισχυτής αυξάνει το πλάτος του σήματος εξόδου και το κέρδος τάσης εξόδου της ζώνης διέλευσης δίνεται ως 1+R2/R1, το οποίο είναι ίδιο με το φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Λειτουργία μεταφοράς εξετάστε ένα παθητικό κύκλωμα RC HPF όπως φαίνεται παραπάνω. Από το παραπάνω κύκλωμα, Vo = τάση εξόδου στην αντίσταση Vi = τάση εισόδου που εφαρμόζεται στον πυκνωτή Λαμβάνοντας τον μετασχηματισμό Laplace τόσο στην πλευρά εισόδου όσο και στην έξοδο, H Vᵢ (s) H (s) = R/(R+(1/sC)) Η παραπάνω εξίσωση γίνεται, H (s) = sCR/(1+sCR) Αντικαθιστώντας s = jw στην παραπάνω εξίσωση H (jω) = jωCR /(1+jωCR) Τότε η εξίσωση γίνεται Το μέγεθος της συνάρτησης μεταφοράς HPF παριστάνεται ως | H (jω) | = ωCR/√ (1+ (ωCR)^2) Αν ω = 0, τότε η συνάρτηση μεταφοράς HPF = 0Εάν ω = 1/CR, τότε η συνάρτηση μεταφοράς HPF = 0.707 Αν ω = άπειρο, τότε η συνάρτηση μεταφοράς HPF = 1 Ως εκ τούτου, τα παραπάνω χαρακτηριστικά της συνάρτησης μεταφοράς δείχνουν ότι το παθητικό υψηλοπερατό φίλτρο RC μπορεί να επιτρέψει τις υψηλές συχνότητες από τη συχνότητα αποκοπής έως το i αοριστοτητα. δηλαδή, κυμαίνεται από 0 έως 1 εάν το ω κυμαίνεται από 0 έως το άπειρο. Butterworth HPFΤο φίλτρο υψηλής διέλευσης Butterworth είναι ένας από τους τύπους HPF που παρέχει απόκριση επίπεδης συχνότητας στη ζώνη διέλευσης. Λόγω της επίπεδης απόκρισης συχνότητας, δεν θα υπάρχουν κυματισμοί. Είναι επίσης γνωστό ως επίπεδο φίλτρο, που χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές όπου το κέρδος κλειστού βρόχου της ζώνης διέλευσης είναι η ενότητα. Το διάγραμμα κυκλώματος και η απόκριση συχνότητας του φίλτρου πρώτης τάξης του Butterworth παρουσιάζονται παρακάτω. Αυτά είναι πολύ εύκολα και απλά στο σχεδιασμό.Το κέρδος αυξάνεται με ρυθμό +20dB/δεκαετία για το HPF Butterworth πρώτης τάξης και ενώ για το HPF Butterworth δεύτερης τάξης, θα είναι +40dB/δεκαετία.Butterworth Χαρακτηριστικά HPFΕφαρμογέςΟι εφαρμογές των υψηλοπερατών φίλτρων είναι ηχεία για την ενίσχυση σημάτων Επεξεργασία εικόναςΧρησιμοποιούνται στην ενίσχυση του ρεύματος συνεχούς ρεύματος και για σύζευξη εναλλασσόμενου ρεύματος Συστήματα ελέγχου και συστήματα επεξεργασίας ήχου. - ορισμός, κύκλωμα, Butterworth HPF, HPF χρησιμοποιώντας Op-amp και οι εφαρμογές του. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, "Ποια είναι τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των φίλτρων High Pass;"

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων