Elektroonilised filtrid on vooluringid, mis juhivad, millised sagedused läbivad ja millised blokeeritud, hoides signaalid selged ja usaldusväärsed. Neid kasutatakse elektrisüsteemides, heliseadmetes, sideühendustes ja andmete hankimises. Selles artiklis selgitatakse üksikasjalikult filtritüüpe, termineid, vastuseperekondi, kujundusetappe ja rakendusi.
Elektroonilise filtri ülevaade
Elektrooniline filter on vooluahel, mis kontrollib, milliseid signaali osi hoitakse ja milliseid vähendatakse. See toimib, lastes kasulikel sagedustel mööduda, nõrgestades samal ajal neid, mida pole vaja. Elektrisüsteemides eemaldavad filtrid soovimatu müra ja säilitavad ühtlase elektrivarustuse. Heli puhul reguleerivad nad helikvaliteeti ja eraldavad vahemikke, nagu bass ja kõrged helid. Suhtluses aitavad filtrid signaalidel püsida selged ja täpsed. Ilma nendeta ei töötaks paljud süsteemid sujuvalt ega usaldusväärselt.
Elektroonilise filtri põhitüübid
Madalpääsfilter (LPF)
LPF edastab signaale alla piirsageduse ja summutab kõrgemaid. See silub toiteallika väljundeid, eemaldab helist müra ja hoiab ära varjunimede kasutamise digitaalahelates. Lihtne RC-filter on tavaline näide.
Kõrgpääsfilter (HPF)
HPF läbib sagedused piirist kõrgemal ja blokeerib madalamad. Seda kasutatakse kõrgsageduskõlarite helis, vahelduvvoolu ühenduses alalisvoolu nihke eemaldamiseks ja instrumentides triivi vähendamiseks. Jadakondensaator võimendi sisendis on põhivorm.
Ribapääsfilter (BPF)
BPF võimaldab läbida ainult valitud sagedusriba, lükates samal ajal teised tagasi. See on hädavajalik raadiovastuvõtjates, traadita sides ja meditsiiniseadmetes, nagu EKG. LC-häälestatud vooluahel FM-raadiotes on klassikaline näide.
Riba seiskamine / sälgu filter (BSF)
BSF summutab kitsast sagedusriba, möödudes samal ajal ülal ja all. See eemaldab heli suminat, tühistab häired suhtluses ja lükkab tagasi müra instrumentides. Twin-T sälgufilter on tuntud disainiga.
Filtreeri terminoloogia üksikasjad
Pääsuriba
Pääsuriba on sagedusvahemik, mida filter võimaldab minimaalse sumbumisega läbida. Näiteks telefoni puhul säilib kõneriba 300 Hz kuni 3,4 kHz, nii et kõne jääb selgeks. Lai ja lame pääsuriba tagab, et soovitud signaalid säilitavad oma esialgse tugevuse ja kvaliteedi.
Stoppband
Stoppriba on sagedusvahemik, mida filter tugevalt summutab, et blokeerida soovimatuid signaale või müra. See piirkond on põhiline, et vältida häireid, moonutusi või varjunimesid kasuliku signaali saastamast. Mida sügavam on stoppriba sumbumine, seda tõhusam on filter soovimatute sageduste tagasilükkamisel.
Piirsagedus (fc)
Piirsagedus tähistab piiri pääsuriba ja stoppriba vahel. Enamikus filtrikujundustes, näiteks Butterworthi filtris, on see määratletud kui sagedus, kus signaal langeb -3 dB võrra pääsuriba tasemest. See punkt on võrdlusalus filtrite kujundamisel ja häälestamisel vastavalt süsteeminõuetele.
Ülemineku riba
Üleminekuriba on kaldepiirkond, kus filtri väljund nihkub pääsuribalt stoppribale. Kitsam üleminekuriba näitab teravamat ja selektiivsemat filtrit, mis on soovitav sellistes rakendustes nagu kanalite eraldamine sidesüsteemides. Teravamad üleminekud nõuavad sageli keerukamaid filtrikonstruktsioone või kõrgemat järku vooluringe.
Bode graafikud filtrites
Magnituudi graafik
Magnituudi graafik näitab filtri võimendust (detsibellides) võrreldes sagedusega. Näiteks madalpääsfiltris jääb reaktsioon läbipääsuribas umbes 0 dB juurde, seejärel hakkab pärast piirsagedust maha veerema, mis näitab kõrgemate sageduste sumbumist. Selle veeremise järsus sõltub filtri järjekorrast: kõrgema astme filtrid pakuvad teravamaid üleminekuid pääsuriba ja stoppriba vahel. Suurusjärgu graafikute abil on lihtne näha, kui hästi filter blokeerib soovimatud sagedused, säilitades samal ajal soovitud vahemiku.
Faasi graafik
Faasigraafik näitab, kuidas filter nihutab signaalide faasi erinevatel sagedustel. See on signaali viivituse mõõt. Madalatel sagedustel on faasinihe sageli minimaalne, kuid sageduse suurenedes tekitab filter piiri ümber rohkem viivitust. Faasireaktsioon on põhiline ajatundlikes süsteemides, nagu helitöötlus, sideühendused ja juhtimissüsteemid, kus isegi väikesed ajastusvead võivad jõudlust mõjutada.
Filtri järjekord ja veeretamine
| Filtri järjekord | Poolused/nullid | Veeremise määr | Kirjeldus |
|---|---|---|---|
| 1. Järjekord | Üks poolus | \~20 dB/kümnendi kohta | Järkjärgulise sumbumisega põhifilter. |
| 2. järjekord | Kaks poolust | \~40 dB/kümnendi kohta | Teravam piir võrreldes 1. järguga. |
| 3. järjekord | Kolm poolust | \~60 dB/kümnendi kohta | Tugevam sumbumine, selektiivsem. |
| N-s ordu | N poolused | N × 20 dB kümnendi kohta | Kõrgem järk annab järsema veeremise, kuid suurendab vooluringi keerukust. |
Passiivse filtri põhitõed
RC filtrid
RC-filtrid on lihtsaim passiivne disain, kasutades takisti ja kondensaatorit koos. Kõige tavalisem vorm on RC madalpääsfilter, mis laseb madalatel sagedustel läbida, summutades samal ajal kõrgemaid sagedusi. Selle piirsagedus on arvutatud valemiga:
fc =
Need sobivad kõige paremini toiteallikate signaalide silumiseks, kõrgsagedusliku müra eemaldamiseks ja signaali põhilise konditsioneerimise tagamiseks heli- või anduriahelates.
RL filtrid
RL-filtrid kasutavad takistit ja induktiivpooli, mistõttu sobivad need paremini vooluahelate jaoks, mis käitlevad suuremaid voolusid. RL-i madalpääsfilter suudab elektrisüsteemides voolu siluda, samas kui RL-kõrgpääsfilter blokeerib tõhusalt alalisvoolu vahelduvvoolu signaalide edastamise ajal. Kuna induktiivpoolid peavad vastu voolumuutustele, valitakse RL-filtrid sageli rakendustes, kus energiakäitlus ja tõhusus on olulised.
RLC filtrid
RLC-filtrid ühendavad takistid, induktiivpoolid ja kondensaatorid, et luua selektiivsemaid vastuseid. Sõltuvalt komponentide paigutusest võivad RLC-võrgud moodustada ribapääsfiltreid või sälkfiltreid. Neid on vaja raadiovastuvõtjate, ostsillaatorite ja sideahelate häälestamiseks, kus sageduse täpsus on oluline.
Filtri vastuseperekondade tüübid
Butterworthi filter
Butterworthi filtrit hinnatakse selle sujuva ja tasase pääsuriba reaktsiooni poolest, millel pole lainetust. See pakub loomulikku, moonutusteta väljundit, mis muudab selle suurepäraseks heli ja filtreerimise jaoks. Selle puuduseks on teiste peredega võrreldes mõõdukas veeremismäär, mis tähendab, et see on vähem selektiivne, kui on vaja järsku piiri.
Besseli filter
Besseli filter on loodud ajadomeeni täpsuse tagamiseks, pakkudes peaaegu lineaarset faasireaktsiooni ja minimaalset lainekuju moonutust. See muudab selle parimaks selliste rakenduste jaoks nagu andmeside või heli, kus on vaja signaali kuju säilitada. Selle sageduse selektiivsus on halb, mistõttu ei suuda see läheduses asuvaid soovimatuid signaale nii tõhusalt tagasi lükata.
Tšebõševi filter
Tšebõševi filter tagab palju kiirema veeremise kui Butterworth, võimaldades järsemaid üleminekuid vähemate komponentidega. See saavutatakse, võimaldades pääsuribas kontrollitud lainetust. Kuigi lainetus on tõhus, võib see moonutada tundlikke signaale, muutes selle täppisheli jaoks vähem sobivaks.
Elliptiline filter
Elliptiline filter pakub kõige järsemat üleminekuriba kõige väiksema arvu komponentide jaoks, muutes selle kitsasribaliste rakenduste jaoks äärmiselt tõhusaks. Kompromissiks on nii pääsuriba kui ka stoppriba lainetus, mis võib mõjutada signaali täpsust. Sellest hoolimata kasutatakse elliptilisi konstruktsioone sageli raadiosagedus- ja sidesüsteemides, kus on vaja teravat piiri.
Filtri omadused: f₀, BW ja Q
• Kesksagedus (f₀): see on sagedus riba keskel, mida filter läbib või blokeerib. See leitakse alumise ja ülemise piirsageduse korrutamisel, seejärel ruutjuure võtmisel.
• Ribalaius (BW): see on ülemise ja alumise piirsageduse vahelise vahemiku suurus. Väiksem ribalaius tähendab, et filter võimaldab ainult kitsast sagedusvahemikku, samas kui suurem ribalaius tähendab, et see katab rohkem.
• Kvaliteeditegur (Q): näitab, kui terav või selektiivne filter on. Selle arvutamiseks jagatakse kesksagedus ribalaiusega. Kõrgem Q väärtus tähendab, et filter teravustab tihedamalt kesksageduse ümber, samas kui madalam Q väärtus tähendab, et see katab laiema vahemiku.
Filtri kujundamise protsessi sammud
• Määratlege sellised nõuded nagu piirsagedus, soovimatute signaalide jaoks vajalik sumbumise suurus, läbipääsuriba pulsatsiooni vastuvõetav tase ja rühma viivituse piirangud. Need spetsifikatsioonid panid aluse disainile.
• Valige filtri tüüp sõltuvalt eesmärgist: madalpääs madalate sageduste lubamiseks, kõrgpääs kõrgete sageduste lubamiseks, ribapääs vahemiku lubamiseks või ribapeatus vahemiku blokeerimiseks.
• Valige rakendusele kõige paremini sobiv vastuste perekond. Butterworth pakub lamedat läbipääsuriba, Bessel säilitab aja täpsuse, Tšebõšev tagab teravama veeremise ja elliptiline annab kompaktse disainiga kõige järsema ülemineku.
• Arvutage filtri järjekord, mis määrab, kui järsult see suudab soovimatuid sagedusi summutada. Kõrgema järgu filtrid tagavad tugevama selektiivsuse, kuid nõuavad rohkem komponente.
• Valige disaini rakendamiseks topoloogia. Passiivsed RC-filtrid on lihtsad, aktiivsed operatsioonivõimendi filtrid võimaldavad võimendust ja puhverdamist ning digitaalseid FIR- või IIR-filtreid kasutatakse laialdaselt kaasaegses töötlemises.
• Enne selle ehitamist simuleerige filtrit ja koostage selle prototüüp. Simulatsioonid ja Bode'i graafikud aitavad kinnitada jõudlust, samas kui prototüübid kontrollivad, kas filter vastab praktikas määratletud nõuetele.
Filtrite rakendused elektroonikas
Heli elektroonika
Filtrid kujundavad heli ekvalaiserites, crossoverites, süntesaatorites ja kõrvaklappide ahelates. Need kontrollivad sageduste tasakaalu, parandavad selgust ja tagavad sujuva signaalivoo nii tava- kui ka professionaalsetes heliseadmetes.
Elektrisüsteemid
Harmoonilised filtrid ja EMI summutusfiltrid on mootoriajamites, UPS-süsteemides ja võimsusmuundurites hädavajalikud. Need kaitsevad tundlikke seadmeid, parandavad toitekvaliteeti ja vähendavad elektromagnetilisi häireid.
Andmete kogumine
Signaali moonutuste vältimiseks kasutatakse enne analoog-digitaalmuundureid (ADC) antialiasing-filtreid. Biomeditsiinilistes instrumentides, nagu EEG ja EKG monitorid, eraldavad filtrid soovimatu müra eemaldamisega tähenduslikke signaale.
Kommunikatsioon
Ribapääs- ja ribaseiskamisfiltrid on raadiosagedussüsteemides põhilised. Need määratlevad sageduskanalid Wi-Fi-s, mobiilsidevõrkudes ja satelliitsides, võimaldades selget signaaliedastust, tõrjudes samal ajal häireid.
Järeldus
Filtrid on selge heli, stabiilse toite, täpsete andmete ja usaldusväärse side signaalide kujundamisel põhilised. Mõistes nende tüüpe, termineid ja disainimeetodeid, on lihtsam valida või luua filtreid, mis hoiavad süsteemid täpsed ja tõhusad.
Korduma kippuvad küsimused
1. küsimus. Mis on aktiivsetel ja passiivsetel filtritel?
Aktiivsed filtrid kasutavad operatsioonivõimendeid ja võivad signaale võimendada, passiivsed filtrid aga kasutavad ainult takistid, kondensaatorid ja induktiivpoolid ilma võimenduseta.
2. kvartal. Mille poolest erinevad digitaalsed filtrid analoogfiltritest?
Analoogfiltrid töötlevad pidevaid signaale komponentidega, samas kui digitaalsed filtrid kasutavad DSP-de või tarkvara sämplitud signaalide algoritme.
3. kvartal. Miks kasutatakse sidesüsteemides kõrgema järgu filtreid?
Need pakuvad teravamaid piire, võimaldades tihedalt asetsevaid kanaleid paremini eraldada ja häireid vähendada.
4. kvartal. Milline on filtrite roll andurites?
Filtrid eemaldavad soovimatu müra, nii et andurid edastavad puhtaid ja täpseid signaale.
5. kvartal. Miks on vaja filtri stabiilsust?
Ebastabiilsed filtrid võivad signaale võnkuda või moonutada, seega tagab stabiilsus usaldusväärse jõudluse.
6. küsimus. Kas filtreid saab häälestada?
Jah. Häälestatavad filtrid reguleerivad oma piir- või kesksagedust, mida kasutatakse raadiotes ja adaptiivsetes süsteemides.