Wat is hoogdoorlaatfilter: werking en toepassingen

Filters zijn de elektronische circuits die bepaalde frequentiecomponenten toelaten en de ongewenste frequentiecomponenten van een ingangssignaal verzwakken. Deze zijn te vinden in verschillende elektronische toepassingen om een ​​bepaald bereik van frequenties van een signaal mogelijk te maken. In principe zijn filters onderverdeeld in twee typen op basis van het type componenten dat wordt gebruikt bij het ontwerp en de werking. Het zijn passieve filters en actieve filters. Afhankelijk van het frequentiebereik zijn filters onderverdeeld in 4 typen. Het zijn laagdoorlaatfilters, hoogdoorlaatfilters, banddoorlaatfilters en bandstopfilters. Dit artikel beschrijft het hoogdoorlaatfilter, dat zowel als actief filter als passief filter kan worden gebruikt. Wat is een hoogdoorlaatfilter? Het filter heeft de mogelijkheid om hoogfrequente componenten van een signaal door te laten en verzwakt alle laagfrequente componenten van een signaal, ook wel bekend als hoogdoorlaatfilter. Het kan de hoogfrequente componenten toestaan ​​die groter zijn dan de afsnijfrequentie en verwerpt alle andere ongewenste frequentiecomponenten van een signaal. Dit soort filters zijn te vinden in verschillende RF-circuits en signaalverwerkingssystemen. In de praktijk zal dit filter lagere frequenties van een signaal toelaten, die lager zijn dan de grensfrequentie. Hoogdoorlaatfiltercircuit Dit circuit is hetzelfde als dat van een laagdoorlaatfiltercircuit, behalve dat de componenten weerstand en condensator zijn verwisseld zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.Hoogdoorlaatfiltercircuit Twee passieve elementen, weerstand en condensator, zijn in seriecombinatie geschakeld om de frequenties hoger dan de afsnijfrequentie van een signaal mogelijk te maken. De uitgangsspanning van een signaal wordt over de weerstand verkregen door ingangsspanning over de condensator aan te leggen. Dit type filter valt onder het eerste orde hoogdoorlaatfiltercircuit. De HPF van de tweede orde is niets anders dan een cascade van twee RC hoogdoorlaatfiltercircuits in serie. De toename in versterking van de doorlaatband in de HPF van de tweede orde zal zijn met een snelheid van +40dB/decade. Passieve RC HPC Het passieve RC hoogdoorlaatfiltercircuit kan in twee combinaties worden ontworpen, zoals weerstand en condensator (passieve RC HPF); weerstand en inductor (passieve RL HPF) op basis van de toepassing. De passieve RC HPF wordt gebruikt voor toepassingen in het audio- of laagfrequente bereik. De passieve RL HPF-circuits worden gebruikt voor toepassingen in RF- of hoogfrequente bereiken. Het hoogdoorlaatfiltercircuit wordt ook wel een passief RC hoogdoorlaatfilter genoemd vanwege het gebruik van passieve elementen zoals een weerstand en een condensator. Het belangrijkste voordeel is dat er geen externe voeding of versterkingscomponenten nodig zijn. De passieve RC HPF is een eenvoudig RC HPF-circuit zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding. De condensator en weerstand zijn in serie geschakeld waarbij de uitgangsspanning over de weerstand wordt ontwikkeld. Vanwege de reactantie van de condensator laat het filter alleen hoge frequenties van een signaal hoger dan de afsnijfrequentie toe en blokkeert het de lagere frequenties van een signaal onder de afsnijfrequentie. Kenmerken Deze hoogdoorlaatfilterkarakteristieken worden uitgelegd in termen van frequentierespons en faseverschuiving van een uitgangssignaal. Ideale kenmerken Het belangrijkste kenmerk van een HPF is dat het alle hoogfrequente componenten toelaat die groter zijn dan de afsnijfrequentie en alle lage frequenties van een signaal verzwakt, die lager zijn dan de afsnijfrequentie. De ideale kenmerken van een HPF worden hieronder weergegeven. De doorlaatband wordt de HPF genoemd en staat de hogere frequenties toe die groter zijn dan de afsnijfrequentie. Dit filter dempt de lage frequenties, de zogenaamde stopband.Ideale kenmerken van een hoogdoorlaatfilter Frequentierespons De frequentie van een uitgangssignaal is recht evenredig met de versterking. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de versterking toe. De frequentierespons van een RC-hoogdoorlaatfilter hangt af van de reactantie van een condensator. De condensator produceert de vereiste hoeveelheid reactantie of hoge reactantie om de lage frequenties van een signaal te verzwakken, dwz onder de afsnijfrequentie. Bij een lage reactantie van de condensator laat het RC hoogdoorlaatfilter de hoogfrequente componenten van een signaal toe, dwz groter dan de afsnijfrequentie. Maar in de praktijk laat het RC-hoogdoorlaatfilter de lage frequenties onder de afsnijfrequentie toe. De versterking van het RC hoogdoorlaatfilter wordt één wanneer de reactantie laag/nul is bij hoge frequenties. Dat wil zeggen dat de uitgangsspanning hetzelfde is als de gegeven ingangsspanning. Om hoge frequenties toe te laten en lage frequenties te weigeren, neemt de capacitieve reactantie af met een toename van de frequentie, wat resulteert in een toename van de uitgangsspanning en versterking. De capacitieve reactantie wordt gegeven als,Xc = 1/2πfcWaar 'fc' = afsnijfrequentie in Hz'Xc'= capacitieve reactantie De frequentierespons en faseverschuivingskarakteristieken van een RC hoogdoorlaatfilter worden hieronder weergegeven.RC HPF-kenmerken Uit de afbeelding kunnen we zien dat de lage frequenties worden geblokkeerd/afgewezen en de uitgangsspanning verhogen met +20dB/decade wanneer de frequentie op de afsnijfrequentie ligt en R=Xc. Het RC-hoogdoorlaatfilter staat de hoge frequenties toe (van afsnijfrequentie tot oneindig) wanneer de uitgangsspanning 0.7071 of 70.71% van de ingangsspanning is, dwz bij -3dB ingangs- en uitgangsniveaus (door berekening van 20 log Vout/Vin). Dat betekent dat de frequentierespons van een HPF is, hoogfrequente signalen zijn toegestaan ​​van afsnijfrequentie tot oneindig. Bij de afsnijfrequentie is de faseverschuiving van het ingangssignaal en het uitgangssignaal hetzelfde, dwz bij 45°. Wanneer de frequentie van een signaal groter is dan de afsnijfrequentie, is de fasehoek nul. Dat betekent dat het uitgangssignaal bij hoge frequenties in fase is ten opzichte van het ingangssignaal. De tijd die nodig is om een ​​condensator op te laden en te ontladen, wordt uitgedrukt in de vorm van de tijdconstante, aangeduid met 'τ'. De tijdconstante van een RC hoogdoorlaatfilter wordt gegeven alsτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RCDe afsnijfrequentie van een RC HPF wordt gegeven als,fc= 1/2πRCDe faseverschuiving van een RC HPF wordt gegeven alsΦ=tan-1 (1/2πfRC)Waarbij 'fc' = afsnijfrequentie in Hz'f' = werkfrequentie in Hz'R' = weerstandswaarde in ohm'C' = waarde van de condensator in Farads Hoogdoorlaatfilter met Op-Amp Het hoogdoorlaatfilter met op-amp is zeer eenvoudig te ontwerpen en te implementeren omdat het een beperkt aantal gebruikt. van elektronische componenten en verwijdert ruis en brom. Het schakelschema van het hoogdoorlaatfilter met behulp van op-amp wordt hieronder weergegeven. De passieve RC HPF is verbonden met de niet-inverterende op-amp voor versterking en regeling van de spanningsversterking.Hoogdoorlaatfilter met behulp van Op-Amp De uitvoer wordt beperkt door de open-luskarakteristieken van de op-amp. De uitvoer van de RC HPF wordt toegepast op een op-amp voor de versterking en regeling van de spanningsversterking van het uitgangssignaal. De spanningsversterking van het hoogdoorlaatfilter met behulp van Op-amp wordt gegeven alsAᵥ= Vout/Vin=Af(f/fc)/√(1+(f/fc)2)Waar Av= spanningsversterking in dB= 1+R2/R1Af = doorlaatbandversterkingfc= afsnijfrequentie in Hzf = bedrijfsfrequentie in HzWanneer f < fc (lage frequenties ), dan Vout/Vin < AfAls f = fc (bij grensfrequentie), dan Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfAls f > fc (hoge frequenties), dan Vout/Vin = AfDe closed-loop bandbreedte van de Op-amp bepaalt de hoogste frequentie van de HPF, die de constante doorlaatbandversterking Af heeft. De grootte van de spanningsversterking wordt gegeven alsAv(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 0.707 log (XNUMX Vout / Vin) Actief hoogdoorlaatfilter Als het RC hoogdoorlaatfilter is aangesloten op het actieve element zoals op-amp om de hoge frequenties toe te laten en de lage frequenties te verwerpen, dan wordt het een actieve HPF genoemd. De frequentierespons en faseverschuiving van de actieve HPF zijn hetzelfde als die van de RC HPF. Het doel van het actieve hoogdoorlaatfilter is om de spanningsversterking te regelen en het uitgangssignaal te versterken. Het schakelschema van het actieve hoogdoorlaatfilter voor versterking wordt hieronder weergegeven.Actieve HPF voor versterking Het RC HPF-circuit is verbonden met de niet-inverterende op-amp. De uitvoer en de afsnijfrequentie van het passieve hoogdoorlaatfilter worden geregeld door de op-amp. Waarbij de bandbreedte en versterkingskarakteristieken van op-amp de afsnijfrequentie bepalen. Dit type filter werkt als een banddoorlaatfilter. De op-amp verhoogt de amplitude van het uitgangssignaal en de uitgangsspanningsversterking van de doorlaatband wordt gegeven als 1+R2/R1, wat hetzelfde is als het laagdoorlaatfilter. Overdrachtsfunctie Om de overdrachtsfunctie van het hoogdoorlaatfilter af te leiden, zullen we een passief RC HPF-circuit overwegen zoals hierboven weergegeven. Van het bovenstaande circuit, Vo = uitgangsspanning over de weerstand Vi = ingangsspanning toegepast over de condensator Door de Laplace-transformatie aan zowel de ingangs- als de uitgangszijde te nemen, H (s) = Vₒ (s) / Vᵢ (s) H(s)=R/(R+(1/sC))De bovenstaande vergelijking wordt,H(s)=sCR/(1+sCR)Door s=jw in de bovenstaande vergelijking te vervangenH(jω)=jωCR/(1+jωCR)Dan wordt de vergelijking HPF-overdrachtsfunctie = 1Als ω = 2/CR, dan is de HPF-overdrachtsfunctie = 0Als ω = oneindig, dan is de HPF-overdrachtsfunctie = 0Daarom laten de bovenstaande kenmerken van de overdrachtsfunctie zien dat het passieve RC hoogdoorlaatfilter de hoge frequenties van afsnijfrequentie tot oneindig kan toestaan. dwz varieert van 1 tot 0.707 als ω varieert van 1 tot oneindig. Butterworth HPF Het Butterworth hoogdoorlaatfilter is een van de typen HPF's die een vlakke frequentierespons in de doorlaatband bieden. Door de vlakke frequentierespons zijn er geen rimpelingen. Het is ook bekend als een flat-flat filter, gebruikt in verschillende toepassingen waarbij de closed-loop versterking van de doorlaatband één is. Het schakelschema en de frequentierespons van het Butterworth hoogdoorlaatfilter van de eerste orde worden hieronder weergegeven. Deze zijn heel eenvoudig en eenvoudig te ontwerpen.Butterworth HPFDe versterking neemt toe met een snelheid van +20dB/decade voor de eerste orde Butterworth HPF en terwijl deze voor de tweede orde Butterworth HPF +40dB/decade zal zijn.Butterworth HPF KenmerkenToepassingenDe toepassingen van hoogdoorlaatfilters zijnLuidsprekers voor het versterken van signalenBeeldverwerkingGebruikt bij het versterken van gelijkstroom en voor wisselstroomkoppelingBesturingssystemen en audioverwerkingssystemen.DSL-splitters in telefoonsRF-toepassingenDit gaat dus allemaal over een overzicht van hoogdoorlaatfilter (zowel actief als passief type) - definitie, circuit, Butterworth HPF, HPF met behulp van Op-amp, en zijn toepassingen. Hier is een vraag voor u: "Wat zijn de voor- en nadelen van hoogdoorlaatfilters?"

Laat een bericht achter 

Message List