В предыдущей статье мы рассказали вам о полосовом фильтре, и схеме, которая пропускает определенную полосу частот сигнала. В этой статье мы расскажем о полосно-заградительном фильтре, чья функциональность, полностью противоположна полосовому фильтру.
Заградительный или режекторный фильтр останавливает или ослабляет полосу частот, в то время как частоты за пределами этого диапазона пропускаются. Диапазон затухающих частот называется полосой заграждения.
Режекторный фильтр образован комбинацией фильтров низких и высоких частот с параллельным соединением вместо каскадного соединения. Само название указывает на то, что он будет останавливать определенную полосу частот. Поскольку он устраняет частоты, его также называют фильтром исключения полосы, режекторным фильтром или заградительным фильтром.
На следующей схеме показан полосно-заграждающий фильтр:
В отличие от фильтров высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры имеют две частоты среза. Они будут проходить выше и ниже определенного диапазона частот, частоты среза которых заранее определены в зависимости от компонентов, используемых в схеме.
Любые частоты между этими двумя частотами среза ослабляются. Идеальные характеристики полосно-заграждающего фильтра показаны ниже:
Где f L указывает частоту среза фильтра нижних частот.
f H — частота среза фильтра верхних частот.
Центральные частоты fc = √( f L xf H )
Характеристики полосно-заграждающего фильтра прямо противоположны характеристикам полосового фильтра.
При подаче входного сигнала низкие частоты проходят через фильтр низких частот в цепи заграждения, а высокие частоты проходят через фильтр высоких частот в схеме.
На практике, из-за механизма переключения конденсаторов в фильтрах высоких и низких частот выходные характеристики отличаются от характеристик идеального фильтра. Коэффициент усиления полосы пропускания должен быть равен фильтру низких частот и фильтру высоких частот. Частотная характеристика заградительного фильтра показана ниже, а зеленая линия указывает его практическую характеристику:
Схема заграждающего фильтра с использованием R, L и C
Ниже показана простая схема полосно-заграждающего фильтра с пассивными компонентами:
Выход берется через катушку индуктивности и конденсатор, которые соединены последовательно. Вы должны помнить, что для разных частот на входе цепь ведет себя либо как при обрыве, либо как при коротком замыкании.
На низких частотах конденсатор действует как разомкнутая цепь, а катушка индуктивности действует как короткое замыкание. На высоких частотах индуктор действует как разомкнутая цепь, а конденсатор действует как короткое замыкание.
Можно сказать, что на низких и высоких частотах цепь ведет себя как разомкнутая, потому что катушка индуктивности и конденсатор соединены последовательно. По этому же видно, что на средних частотах схема действует как при коротком замыкании. Таким образом, средние частоты не могут проходить через схему.
Диапазон средних частот, на который фильтр действует как при коротком замыкании, зависит от значений низкой и высокой частот среза. Эти низкое и высокое значения частоты среза зависят от значений компонентов.
Эти значения компонентов определяются передаточной функцией для схемы в соответствии с проектом. Передаточная функция есть не что иное, как отношение выхода ко входу.
Где угловая частота ω = 2πf
Режекторный фильтр (узкополосный заградительный фильтр)
На приведенной выше схеме показана сеть Twin ‘T’. Эта схема дает нам режекторный фильтр. Режекторный фильтр — это не что иное, как узкополосный заградительный фильтр. Характерная форма полосно-заграждающей характеристики делает фильтр узкополосным.
Этот режекторный фильтр применяется для устранения одиночной частоты. Поскольку он состоит из двух Т-образных сетей, его называют сетью Twin T. Максимальное устранение происходит на центральной частоте f C = 1/(2πRC).
Чтобы устранить конкретное значение частоты в случае режекторного фильтра, конденсатор, выбранный в схеме, должен быть меньше или равен 1 мкФ. Используя уравнение центральной частоты, мы можем рассчитать значение резистора.
Используя эту режекторную схему, мы можем исключить одиночную частоту 50 или 60 Гц.
Режекторный фильтр второго порядка с операционным усилителем с активным компонентом в неинвертирующей конфигурации задается следующим образом:
Расчёт:
Где добротность Q = 1/2 x (2 – A max )
Если значение добротности высокое, то ширина режекторного фильтра узкая.
Частотная характеристика режекторного фильтра
Взяв частоту и коэффициент усиления, можно получить частотную характеристику полосы заграждения, как показано ниже:
Полоса пропускания берется по низкой и высокой частотам среза. В соответствии с идеальным фильтром полоса пропускания должна иметь усиление, равное Amax, а полоса задерживания должна иметь нулевое усиление. На практике будет некоторая переходная область. Мы можем измерить пульсации в полосе пропускания и пульсации в полосе задерживания следующим образом:
Пульсация в полосе пропускания = – 20 log 10 (1-δp) дБ
Пульсации в полосе задерживания = – 20 log 10 (δs) дБ
Где, δp = АЧХ полосового фильтра пропускания.
δs = амплитуда отклика фильтра полосы задерживания.
Типичная полоса пропускания режекторного фильтра составляет от 1 до 2 декад. Устраненная самая высокая частота в 10-100 раз превышает устраненную самую низкую частоту.
Идеальный отклик режекторного фильтра
Пример полосно-заграждающего фильтра
Рассмотрим схему узкополосного режекторного фильтра. Мы знаем, что режекторный фильтр используется для устранения одной частоты. Таким образом, примем частоту, которую следует исключить, равной 120 Гц. Емкость конденсатора C= 0,33 мкФ.
Используя центральную частоту f C = 1/(2πRC)
R = 1/(2πf C C) = 1/(2πx120 x 0,33 x 10 -6 ) = 4 кОм
Таким образом, чтобы спроектировать узкополосный режекторный фильтр для подавления частоты 120 Гц, мы должны взять два параллельных резистора по 4 кОм каждый и два параллельных конденсатора по 0,33 мкФ каждый.
Информация о фильтре
Фильтр имеет две полосы пропускания и одну полосу задерживания. Характеристики этого фильтра прямо противоположны полосовому фильтру. Он также называется полосно-заграждающим фильтром или полосовым фильтром исключения. Он использует фильтр высоких частот и фильтр низких частот, соединенных параллельно. Низкие частоты отдаются фильтру низких частот, а высокие частоты — фильтру высоких частот.
Простая схема RLC с последовательным подключением конденсатора и катушки индуктивности образует режекторный фильтр. На очень высоких и очень низких частотах схема режекторного фильтра действует как при разомкнутой цепи, тогда как на средних частотах схема действует как при коротком замыкании.
Следовательно, схема ослабляет только средние частоты и разрешает все остальные частоты. Низкая и высокая частоты среза фильтра зависят от конструкции фильтра.
Фильтр с узкополосными фильтрами называется режекторным фильтром. Он используется для устранения одиночного значения частоты. Он образован двумя резисторами и двумя конденсаторами, соединенными в две Т-образные сети.
Он называется фильтром Twin ‘T’. Полоса пропускания фильтра — это не что иное, как полоса задерживания фильтра. Если добротность Q высока, ширина режекторного отклика сужается. Они широко применяются в цепях связи.
Итог
В разных технологиях эти фильтры используются в разных вариантах. В телефонной технике эти фильтры используются в качестве шумоподавителей телефонных линий и интернет-услуг DSL. Это поможет устранить помехи на линии, снижающие производительность DSL. Также они широко используются в усилителях электрогитар. На самом деле, сама электрогитара издает «гул» на частоте 60 Гц. Этот фильтр используется для уменьшения этого шума, чтобы усилить сигнал, производимый гитарным усилителем.
В коммуникационной электронике сигнал искажается из-за некоторого шума (гармоник), из-за которого исходный сигнал взаимодействует с другими сигналами, что приводит к ошибкам на выходе. Таким образом, эти фильтры используются для устранения этих нежелательных гармоник. Фильтры используются для уменьшения статического электричества на радио, которые обычно используются в нашей повседневной жизни. Также используются в технологиях оптической связи, на конце оптического волокна могут быть некоторые мешающие (паразитные) частоты света, которые вносят искажения в световой пучок. Эти искажения устраняются полосовыми фильтрами. Лучший пример — рамановская спектроскопия. При обработке изображений и сигналов эти фильтры очень предпочтительны для подавления шума. Они используются в высококачественных аудиоприложениях, таких как системы громкой связи.
В следующей статье мы поговорим об активном фильтре низких частот.
С Уважением, МониторБанк