Порядок фильтра


Введение

В устройствах, которые используют фильтры для формирования частотного спектра сигнала, например, в системах связи или управления, форма или ширина спада, также называемая «полосой перехода», для простого фильтра первого порядка может быть слишком длинной или необходимы широкие и активные фильтры, разработанные с более чем одним «заказом». Эти типы фильтров обычно известны как фильтры «высокого порядка» или «n- го порядка».

Порядок фильтров

Сложность или тип фильтра определяется «порядком» фильтров и зависит от количества реактивных компонентов, таких как конденсаторы или катушки индуктивности в его конструкции. Мы также знаем, что скорость спада и, следовательно, ширина полосы перехода зависит от порядкового номера фильтра и что для простого фильтра первого порядка он имеет стандартную скорость спада 20 дБ / декаду или 6 дБ / октава.

Тогда для фильтра, имеющего n- й порядковый номер, он будет иметь последующую скорость спада 20n дБ / декаду или 6n дБ / октаву. Таким образом:

  • фильтр первого порядка имеет скорость спада 20 дБ / декаду (6 дБ / октава)
  • фильтр второго порядка имеет скорость спада 40 дБ / декаду (12 дБ / октава)
  • фильтр четвертого порядка имеет частоту спада 80 дБ / декада (24 дБ / октава) и т. д.

Фильтры высокого порядка, такие как третий, четвертый и пятый, обычно формируются путем каскадного объединения одиночных фильтров первого и второго порядка.

Например, два фильтра нижних частот второго порядка могут быть соединены каскадно для получения фильтра нижних частот четвертого порядка и так далее. Несмотря на то, что порядок фильтра, который может быть сформирован, не ограничен, при увеличении порядка увеличиваются его размер и стоимость, а также снижается его точность.

Декады и октавы

Последний комментарий о Декадах и Октавах . По шкале частот декада — это десятикратное увеличение (умножение на 10) или десятикратное уменьшение (деление на 10). Например, от 2 до 20 Гц представляют одну декаду, тогда как от 50 до 5000 Гц представляют две декады (от 50 до 500 Гц, а затем от 500 до 5000 Гц).

Октава — это удвоение (умножить на 2) или уменьшение в два раза (деление на 2) по шкале частот. Например, от 10 до 20 Гц представляет одну октаву, а от 2 до 16 Гц — это три октавы (от 2 до 4, от 4 до 8 и, наконец, от 8 до 16 Гц), каждый раз удваивая частоту. В любом случае, логарифмические шкалы широко используются в частотной области для обозначения значения частоты при работе с усилителями и фильтрами, поэтому важно понимать их.

Логарифмическая шкала частот


Поскольку резисторы, определяющие частоту, все равны, как и конденсаторы, определяющие частоту, отсечка или угловая частота ( ƒC ) для первого, второго, третьего или даже для фильтра четвертого порядка также должны быть равны и найдены, используя знакомое уравнение:

Как и в случае фильтров первого и второго порядка, фильтры верхних частот третьего и четвертого порядка формируются простым взаимным обменом положений определяющих частоту компонентов (резисторов и конденсаторов) в эквивалентном фильтре нижних частот. Фильтры высокого порядка можно спроектировать, следуя процедурам, которые мы видели ранее в руководствах по фильтру нижних частот и фильтрам верхних частот. Однако общий коэффициент усиления фильтров высокого порядка является фиксированным, поскольку все компоненты, определяющие частоту, являются одинаковыми.

Аппроксимации фильтра

До сих пор мы рассматривали низкочастотные и высокочастотные схемы фильтра первого порядка, их результирующие частотные и фазовые характеристики. Идеальный фильтр дал бы нам спецификации максимального усиления полосы пропускания и плоскостности, минимального затухания полосы пропускания, а также очень крутой полосы пропускания, чтобы остановить спад полосы (полоса перехода), и поэтому очевидно, что большое количество сетевых откликов будет удовлетворять эти требования.


Неудивительно, что в линейном дизайне аналоговых фильтров есть ряд «аппроксимационных функций», в которых используется математический подход для наилучшего приближения передаточной функции, которая требуется нам для проектирования фильтров.

Такие конструкции известны как ЭллиптическийБаттервортЧебышевБессельКауэр и многие другие. Из этих пяти «классических» функций аппроксимации линейного аналогового фильтра только фильтр Баттерворта и особенно конструкция фильтра Баттерворта нижних частот будут рассматриваться здесь как его наиболее часто используемая функция.

Низкочастотный фильтр Баттерворта

Частотная характеристика аппроксимационной функции фильтра Баттерворта также часто называется «максимально плоской» (без пульсаций) характеристикой, поскольку полоса пропускания спроектирована так, чтобы иметь частотную характеристику, которая является настолько плоской, насколько это математически возможно, от 0 Гц (DC) до частоты среза -3 дБ без пульсаций. Более высокие частоты за пределами точки отсечки снижаются до нуля в полосе останова на уровне 20 дБ / декада или 6 дБ / октава. Это потому, что он имеет «фактор качества», «Q» всего 0,707.


Однако одним из основных недостатков фильтра Баттерворта является то, что он достигает этой плоскостности полосы пропускания за счет широкой полосы перехода, когда фильтр изменяется от полосы пропускания к полосе остановки. Он также имеет плохие фазовые характеристики. Идеальная частотная характеристика, называемая фильтром «кирпичной стены», и стандартные аппроксимации Баттерворта для различных порядков фильтра приведены ниже.

Идеальная частотная характеристика для фильтра Баттерворта

Обратите внимание, что чем выше порядок фильтра Баттерворта, тем больше количество каскадных ступеней в конструкции фильтра и тем ближе фильтр подходит к идеальному отклику «кирпичной стены».

Однако на практике идеальная частотная характеристика Баттерворта недостижима, поскольку она вызывает чрезмерную пульсацию в полосе пропускания.

Где обобщенное уравнение, представляющее фильтр Баттерворта «n-го» порядка, частотная характеристика дается как:

Где: n представляет порядок фильтра, ω равно 2πƒ, а ε — максимальное усиление полосы пропускания (A max ). 

Если A max определено на частоте, равной угловой точке отсечки -3 дБ (ƒc), тогда ε будет равно единице и, следовательно, ε 2 также будет равно единице. Однако, если вы теперь хотите определить A max при другом значении усиления по напряжению, например, 1 дБ или 1.1220 (1 дБ = 20 * logA max ), тогда новое значение ε находится по формуле :


Подставляя данные в уравнения, получаем:

Частотная характеристика фильтра может быть определена математически его передаточной функции с стандартом передачи напряжения Функция H (jω) и записывается в виде:

Примечание: (jω) также можно записать как (s) для обозначения S-области. и результирующая передаточная функция для фильтра нижних частот второго порядка задается как:

Нормализованные полиномы фильтра Баттерворта низких частот

Чтобы помочь в разработке своих фильтров нижних частот, Баттерворт создал стандартные таблицы нормализованных полиномов нижних частот второго порядка с учетом значений коэффициента, которые соответствуют частоте отсечки угла 1 радиан / с.


N Нормализованные полиномы знаменателя в факторизованной форме
1 (1 + S)
2 (1 + 1,414 с + с 2 )
3 (1 + с) (1 + с + с 2 )
4 (1 + 0,765 с + с 2 ) (1 + 1,848 с + с 2 )
5 (1 + с) (1 + 0,618 с + с 2 ) (1 + 1,618 с + с 2 )
6 (1 + 0,518 с + с 2 ) (1 + 1,414 с + с 2 ) (1 + 1,932 с + с 2 )
7 (1 + с) (1 + 0,445 с + с 2 ) (1 + 1,247 с + с 2 ) (1 + 1,802 с + с 2 )
8 (1 + 0,390 с + с 2 ) (1 + 1,111 с + с 2 ) (1 + 1,663 с + с 2 ) (1 + 1,962 с + с 2 )
9 (1 + с) (1 + 0,347 с + с 2 ) (1 + с + с 2 ) (1 + 1,532 с + с 2 ) (1 + 1,879 с + с 2 )
10 (1 + 0,313 с + с 2 ) (1 + 0,908 с + с 2 ) (1 + 1,414 с + с 2 ) (1 + 1,782 с + с 2 ) (1 + 1,975 с + с 2)

Расчет и схема фильтра Баттерворта низких частот

Найти порядок активного фильтра Баттерворта нижних частот, чьи характеристики приведены в качестве: A макс = 0,5 дБ на частоте полосы пропускания ( ωp ) 200 радиан / сек (31.8 гЦ), и Amin = -20 дБ на частоте полосы остановки ( ωs ) 800 радиан / сек. Также разработайте подходящую схему фильтра Баттерворта, соответствующую этим требованиям.

Во-первых, максимальное усиление полосы пропускания A max = 0,5 дБ, которое равно усилению 1,0593 , помните, что: 0,5 дБ = 20 * log (A) на частоте ( ωp ) 200 рад / с, поэтому значение эпсилона ε находится по:


Во-вторых, минимальное усиление полосы остановки A min = -20 дБ, которое равно усилению 10 (-20 дБ = 20 * log (A)) на частоте полосы остановки ( ωs ) 800 рад / с или 127,3 Гц.

Подстановка значений в общее уравнение для частотной характеристики фильтров Баттерворта дает нам следующее:

Так как n всегда должно быть целым числом, то следующим самым высоким значением 2,42 будет n = 3 , поэтому «требуется фильтр третьего порядка», и для создания фильтра Баттерворта третьего порядка, ступени фильтра второго порядка требуется каскадное соединение со ступенью фильтра первого порядка.

Из приведенной выше таблицы нормализованных полиномов Баттерворта низких частот коэффициент для фильтра третьего порядка дается как (1 + s) (1 + s + s 2 ), и это дает нам усиление 3-A = 1 или A = 2 . В А = 1 + (Rf / R1) , выбирая значение как для резистора обратной связи Rf и резистора R1 дает нам значения 1 кОм и 1 кОм , соответственно, как: (  1 кОм / 1 кОм) + 1 = 2 .

Мы знаем, что угловая частота отсечки, точка -3 дБ ( ω o ) может быть найдена с помощью формулы 1 / CR , но нам нужно найти ω o по частоте полосы пропускания ω p ,

Таким образом, частота отсечки угла задается как 284 рад / с или 45,2 Гц (284 / 2π), и, используя знакомую формулу 1 / RC, мы можем найти значения резисторов и конденсаторов для нашей схемы третьего порядка.


Обратите внимание, что ближайшее предпочтительное значение до 0,352 мкФ будет 0,36 мкФ или 360 нФ .

И, наконец, наша схема низкочастотного фильтра Баттерворта третьего порядка с угловой частотой среза 284 рад / с или 45,2 Гц, максимальным усилением полосы пропускания 0,5 дБ и минимальным усилением полосы остановки 20 дБ строится следующим образом.

Таким образом, для нашего фильтра низких частот Баттерворта 3-го порядка с угловой частотой 45,2 Гц, C = 360 нФ и R = 10 кОм

Источник: meanders.ru

рис. 2.52Рассмотрим основные типы фильтров, классифицируемых по виду амплитудно-частотных характеристик.

Фильтры нижних частот.

Для фильтров нижних частот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются.

Приведем примеры амплитудно-частотных характеристик фильтров нижних частот. На рис. 2.52, а показана характеристика идеального (не реализуемого на практике) фильтра (ее иногда называют характеристикой типа «кирпичная стена»). На других рисунках представлены характеристики реальных фильтров.


рис. 2.52

Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза ωс. Обычно частоту среза определяют как частоту, на которой величина А(ω) равна 0,707 от максимального значения (т. е. меньше максимального значения на 3 дБ).

Полоса задерживания (подавления) начинается от частоты задерживания ωз и продолжается до бесконечности. В ряде случаев частоту задерживания определяют как частоту, на которой величина А(ω) меньше максимального значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз).

Между полосами пропускания и задерживания у реальных фильтров расположена переходная полоса. У идеального фильтра переходная полоса отсутствует.

Фильтры верхних частот.

Фильтр верхних частот характерен тем, что он пропускает сигналы верхних и задерживает сигналы нижних частот.

Частотные характеристики фильтров верхних частот, как и характеристики фильтров нижних частот, многообразны в своих деталях.

Изобразим для иллюстрации две характеристики: идеальную, нереализуемую (рис. 2.53, а), и одну из типичных реальных (рис. 2.53, б). Через ωс и ωз обозначены частоты среза и задерживания.


рис. 2.53

Полосовые фильтры (полосно-пропускающие).

Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот. Сигналы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает.

Изобразим амплитудно-частотную характеристику для идеального (нереализуемого) фильтра (рис. 2.54, а) и одну из типичных реальных характеристик (рис. 2.54, б). рис. 2.54

Через ωс1 и ωс2 обозначены две частоты среза, ω0 — средняя частота. Она определяется выражением

ω0 = √ (ωс1 · ωс2)

Режекторные фильтры (полосно-заграждающие).

Режекторные фильтры не пропускают (задерживают) сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускают сигналы с другими частотами. Изобразим амплитудно-частотную характеристику для идеального (нереализуемого) фильтра (рис. 2.55, а) и одну из типичных реальных характеристик (рис. 2.55, б). рис. 2.55

Всепропускающие фильтры (фазовые корректоры).

Эти фильтры пропускают сигналы любой частоты. Построим соответствующую амплитудно-частотную характеристику (рис. 2.56). рис. 2.56

Такие фильтры используются в некоторой электронной системе для того, чтобы изменить с той или иной целью фазочастотную характеристику всей системы.

Исходя из приведенного математического описания фильтров, нетрудно сделать вывод, что ход амплитудно-частотной характеристики на достаточном удалении от полосы пропускания прямо определяется порядком фильтра. Этот факт хорошо иллюстрируют амплитудно-частотные характеристики, выполненные в логарифмическом масштабе. Рассмотрим указанные характеристики для некоторых фильтров различного порядка, имеющих одинаковые коэффициенты усиления на нулевой частоте, равные 100 (рис. 2.57). рис. 2.57

Из математического описания следует, что на достаточном расстоянии от полосы пропускания наклон характеристики равен − 20n дБ/дек, где

n

— порядок фильтра. Наклон − 20 дБ/дек означает, что увеличение частоты в 10 раз приводит к уменьшению коэффициента усиления в 10 раз, а наклон − 40 дБ/дек означает, что увеличение частоты в 10 раз приводит к уменьшению коэффициента усиления в 100 раз.

Из изложенного следует, что если необходимо обеспечить более быстрое изменение коэффициента усиления на удалении от полосы пропускания, то следует увеличить порядок фильтра (но при этом схема фильтра усложняется).

Источник: pue8.ru

Содержание

Типы фильтров. Параметры аппроксимации квадрата АЧХ нормированного ФНЧ

По форме амплитудно-частотной характеристики Порядок фильтра (АЧХ) различают следующие типы фильтров:

  • фильтры нижних частот (ФНЧ);
  • фильтры верхних частот (ФВЧ);
  • полосовые фильтры (ПФ) или полосопропускающие фильтры;
  • режекторные фильтры (РФ) или полосозаграждающие фильры.

Примеры квадрата АЧХ Порядок фильтра для приведенных типов фильтров показаны на рисунке 1.

Рассмотрим постановку задачи расчета фильтра на примере ФНЧ. Мы бы хотели получить фильтр, который пропускает без искажений все частоты ниже Порядок фильтра и полностью подавляет все частоты выше Порядок фильтра. Такой ФНЧ называют идеальным, и он не реализуем на практике. Реализуемые ФНЧ всегда вносят искажения в полосе пропускания и не до конца подавляет в полосе заграждения. На рисунке 2 показан квадрат АЧХ Порядок фильтра идеального (толстая пунктирная линия) и реального (сплошная линия) ФНЧ.

Полоса частот от 0 до Порядок фильтра называется полосой пропускания ФНЧ, полоса частот выше Порядок фильтра называется полосой подавления или полосой заграждения. Полоса частот между Порядок фильтра и Порядок фильтра называется переходной полосой фильтра. Мы должны научится регулировать искажения сигнала и подавление при использовании ФНЧ.

Параметры

определяют максимальное искажение квадрата АЧХ Порядок фильтра в полосе пропускания и задают требуемое подавление в полосе заграждения соответсвенно.

Таким образом, получили такой «изогнутый коридор» в который должна поместиться АЧХ нашего фильтра. При этом, чем «коридор уже», тем параметр Порядок фильтра меньше, а параметр Порядок фильтра больше.

Принято искажение в полосе пропускания и требуемое подавление фильтра в полосе заграждения выражать в децибелах, как Порядок фильтра и Порядок фильтра соответственно. Тогда:

где Порядок фильтра – десятичный логарифм.

Из (2) можно выразить:

Для расчета фильтра нижних частот достаточно задать параметры квадрата АЧХ Порядок фильтра, Порядок фильтра, Порядок фильтра и Порядок фильтра. Остальные параметры являются вспомогательными. Так нам потребуется еще два параметра Порядок фильтра и Порядок фильтра, которые мы будем использовать в дальнейшем:

Параметр Порядок фильтра определяет переходную полосу фильтра. Если сужать переходную полосу, то Порядок фильтра будет стремиться к единице. С другой стороны параметр Порядок фильтра определяет степень подавления фильтра с учетом вносимых искажений в полосе пропускания. Так, если коэффициент подавления в полосе заграждения Порядок фильтра растет, то Порядок фильтра стремиться к нулю. Аналогично Порядок фильтра стремиться к нулю если коэффициент неравномерности в полосе пропускания Порядок фильтра стремится к нулю дБ.

Уравнение порядка фильтра нижних частот

Порядок фильтра можно определить как максимальное количество нулей и полюсов передаточной функции Порядок фильтра фильтра. Также можно сказать, что порядок фильтра задается максимальной степенью полинома числителя и знаменателя передаточной функции Порядок фильтра фильтра. Однако для расчета фильтра мы задаем параметры частотной характеристики, в которые должен укладываться наш фильтр, и мы не знаем какой порядок фильтра для этого потребуется.

Мы неслучайно уделяем особое внимание параметрам фильтров нижних частот. Дело в том, что ФНЧ служат прототипом для фильтров других типов (ФВЧ, ПФ и РФ), передаточные характеристики которых можно получить из передаточной характеристики ФНЧ путем алгебраических частотных преобразований. При этом ФНЧ с различными значениями частоты среза Порядок фильтра также могут быть получены из других ФНЧ путем преобразования частоты.

Поэтому фильтры нижних частот подходят на роль прототипов из которых можно получить все типы фильтров с любыми параметрами квадрата АЧХ. При этом особую роль играют нормированные ФНЧ, у которых частота среза Порядок фильтра рад/с.

Аппроксимация квадрата АЧХ нормированного фильтра нижних частот представляется в виде:

где Порядок фильтра – аппроксимирующая функция порядка Порядок фильтра.

Для того чтобы квадрат АЧХ фильтра Порядок фильтра разместился в заданном коридоре необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

Первое условие (6) будет выполнено, если

Чтобы выполнилось второе условие, необходимо обеспечить переходную полосу заданной ширины и с заданным подавлением, т.е.

откуда можно выразить:

Таким образом, мы получили уравнение (9), решая которое относительно Порядок фильтра можно рассчитать требуемый порядок фильтра, при котором квадрат АЧХ фильтра удовлетворит заданным параметрам. При этом рассчитанное значение порядка Порядок фильтра округляется в бо́льшую сторону до ближайшего целого.

Необходимо отметить, что для сужения переходной полосы необходимо увеличивать порядок фильтра, однако при практической реализации от порядка фильтра зависит количество реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) в его схеме. В результате, увеличение порядка фильтра приводит к усложнению самого фильтра, удорожанию и что самое важное, фильтр с увеличением порядка становится очень чувствительным к разбросу номиналов его компонент и требует точной прецизионной настройки.

Аппроксимация по Баттерворту

Аппроксимирующая функция нормированного ФНЧ Баттерворта порядка Порядок фильтра равна Порядок фильтра. Квадрат АЧХ фильтра задается выражением:

На рисунке 3 показаны квадрат аппроксимирующей функции Порядок фильтра и квадрат АЧХ Порядок фильтра нормированного ФНЧ Баттерворта порядка Порядок фильтра при Порядок фильтра дБ.

Ось абсцисс Порядок фильтра на рисунке 3 показана в логарифмическом масштабе.

Фильтры Баттерворта являются фильтрами с максимально-гладкой АЧХ. Скорость спада квадрата АЧХ составляет Порядок фильтра дБ/декада. При аппроксимации по Баттервотру, очень часто задают параметр Порядок фильтра , и на частоте Порядок фильтра, квадрат АЧХ Порядок фильтра (–3 дБ). Тогда для расчета ФНЧ Баттерворта при Порядок фильтра задается только порядок фильтра. Остальные параметры, такие как неравномерность в полосе пропускания и уровень подавлениия в полосе заграждения не задаются.

Аппроксимация полиномами Чебышева первого рода

Аппроксимирующая функция нормированного ФНЧ Чебышева первого рода, Порядок фильтра, где Порядок фильтра – многочлен Чебышева первого рода порядка Порядок фильтра. Тогда квадрат АЧХ Порядок фильтра нормированного ФНЧ Чебышева первого рода можно записать:

Параметр Порядок фильтра задает уровень пульсаций в полосе пропускания фильтра и рассчитывается исходя из заданной неравномерности АЧХ в полосе пропускания согласно выражению (3).

На рисунке 4 показаны аппроксимирующая функция и квадрат АЧХ нормированного ФНЧ Чебышева первого рода порядка Порядок фильтра при Порядок фильтра (неравномерность АЧХ фильтра в полосе пропускания Порядок фильтра дБ).

Хорошо видно, что в полосе пропускания квадрат АЧХ Порядок фильтра фильтра Чебышева первого рода совершает равноволновые колебания, в отличии от фильтра Баттерворта. При этом скорость спада АЧХ фильтра Чебышева первого рода за пределами полосы пропускания, выше чем у фильтра Баттерворта.

Инверсный фильтр Чебышева

Ранее при аппроксимации АЧХ многочленами Чебышева задавалась допустимая неравномерность АЧХ фильтров в полосе пропускания при помощи параметра Порядок фильтра. Однако можно также задать требуемый уровень подавления в полосе заграждения при помощи параметра Порядок фильтра. Тогда получим фильтры Чебышева второго рода или как их еще называют инверсные фильтры Чебышева. Аппроксимирующая функция в этом случае задается выражением Порядок фильтра, а квадрат АЧХ нормированного ФНЧ Чебышева второго рода представляется в виде:

Как уже было сказано, Порядок фильтра задает уровень подавления Порядок фильтра в полосе заграждения фильтра согласно (3). На рисунке 5 показаны аппроксимирующая функция Порядок фильтра и квадрат АЧХ Порядок фильтра нормированного ФНЧ Чебышева второго рода порядка Порядок фильтра при уровне подавления в полосе заграждения Порядок фильтра дБ.

Нормированный ФНЧ Чебышева первого рода на частоте Порядок фильтра рад/c «пропускает» сигнал, т.к. Порядок фильтра близко к единице (0 дБ). Однако, нормированный ФНЧ Чебышева второго рода на частоте Порядок фильтра рад/c «подавляет» сигнал, т.к. Порядок фильтра. Фильтры Чебышева второго рода целесообразно использовать для расчета режекторных (полосозаграждающих) фильтров с заданным коэффициентом подавления.

Аппроксимация по Кауэру. Эллиптический фильтр

Можно заметить, что АЧХ фильтра Чебышева первого рода носит колебательный характер в полосе пропускания и максимально-гладкая в полосе заграждения, в то время как АЧХ фильтра Чебышева второго рода наоборот колеблется в полосе заграждения и максимально-гладкая в полосе пропускания. Однако есть еще один класс фильтров АЧХ которых носит колебательный характер как в полосе пропускания, так и в полосе подавления. Это эллиптические фильтры Кауэра.

Аппроксимирующая функция нормированного эллиптического ФНЧ представляет собой эллиптическую дробно-рациональную функцию Порядок фильтра, зависящую от параметра Порядок фильтра, рассмотренного выше. Квадрат модуля АЧХ фильтра Кауэра представляет собой:

Квадрат аппроксимирующей функции Порядок фильтра эллиптического фильтра 4-го порядка и квадрат АЧХ Порядок фильтра показаны на рисунке 6.

Параметр Порядок фильтра (неравномерность АЧХ фильтра в полосе пропускания Порядок фильтра дБ), а параметр Порядок фильтра задает уровень подавления в полосе заграждения равный Порядок фильтра дБ. Обратите внимание, что квадрат аппроксимирующей функция Порядок фильтра эллиптического фильтра показан показан на двух графиках. На верхнем графике Порядок фильтра показан в масштабе от 0 до 400. Из верхнего графика видно, что Порядок фильтра имеет полюсы при Порядок фильтра рад/c, что приводит к пульсация квадрата АЧХ фильтра в полосе заграждения. На нижнем графике Порядок фильтра показаны колебания аппроксимирующей функции в полосе пропускания.

Решение уравнения порядка фильтра

Фильтр Баттерворта обладает самой широкой переходной полосой среди всех фильтров, но у него максимально-гладкая АЧХ. Внесение в АЧХ фильтра Баттерворта колебаний приводит к фильтрам Чебышева, переходная полоса которых у́же чем у фильтра Баттерворта. Равноволновые колебания в полосе пропускания приводят к фильтрам Чебышева первого рода, а равноволновые колебания в полосе заграждения к фильтрам Чебышева второго рода. Внесение равноволновых колебаний как в полосу пропускания, так и в полосу заграждения АЧХ приводит к эллиптическому фильтру с минимальной переходной полосой.

Полученное ранее выражение (9) связывает параметры квадрата АЧХ с порядком фильтра Порядок фильтра. В данном параграфе мы решим уравнение (9) относительно Порядок фильтра для рассмотренных выше аппроксимаций квадрата АЧХ нормированных ФНЧ.

Порядок нормированного ФНЧ Баттерворта рассчитывается из уравнения:

Прологарифмируем правую и левую части уравнения и получим:

Порядок нормированного ФНЧ Чебышева первого и второго рода рассчитывается из уравнения:

Откуда можно выразить:

Обратите внимание, что аргументы арккосинуса больше единицы, тогда арккосинус аргумента больше единицы возвращает комплексное значение. Известно, что арккосинус любого комплексного аргумента Порядок фильтра равен:

тогда (17) с учетом (18) можно представить как:

где Порядок фильтра – арккосинус гиперболический.

Порядок эллиптического фильтра можно рассчитать из уравнения:

где Порядок фильтра и Порядок фильтра – полный и комплиментарный эллиптические интегралы, а Порядок фильтра и Порядок фильтра рассчитываются согласно (4).

В таблице 1 приведены порядки нормированных ФНЧ Баттерворта, Чебышева и эллиптического для некоторых значения параметров квадрата АЧХ.

Из таблицы 1 видно, что сужение переходной полосы, когда Порядок фильтра приближается к Порядок фильтра и уменьшение неравномерности в полосе пропускания Порядок фильтра с одновременным ростом подавления Порядок фильтра в полосе заграждения, приводит к очень резкому росту требуемого порядка фильтра Баттерворта. При этом порядок фильтра Чебышева растет медленнее, однако и ему далеко до эллиптического фильтра, который обеспечивает минимальный порядок при заданном коридоре АЧХ.

Переход от фильтра Баттерворта к фильтру Чебышева позволяет сократить порядок фильтра более чем в 5 раз, а использование эллиптического фильтра более чем в 10 раз. В результате, вместо фильтра Баттерворта 118 порядка можно поставить эллиптический фильтр всего 8-го порядка без ухудшения характеристик фильтра. Но это потребует более точной настройки параметров емкостей и индуктивностей при реализации фильтра.

Выводы

В данном разделе мы рассмотрели постановку задачи расчета аналогового нормированного ФНЧ и произвели анализ различных способов аппроксимации АЧХ фильтра: аппроксимация по Баттерворту, по Чебышеву и по Кауэру. Получили решения уравнения порядка фильтра при заданном коридоре АЧХ для всех перечисленных способов аппроксимации фильтра. Произведен сравнительный анализ порядоков фильтров Баттерворта, по Чебышева и по Кауэра (эллиптического) для некоторых коридоров АЧХ.

Показано, что при сужении коридора АЧХ (сужение переходной полосы, уменьшении неравномерностей в полосе пропускания и увеличении подавления в полосе заграждения) использование эллиптического фильтра приводит к наименьшему требуемому порядку фильтра.

Программная реализация в библиотеке DSPL

Данные для построения рисунков данного раздела были просчитаны при использовании библиотеки DSPL-2.0

Ниже приведён исходный код программы расчета данных для построения рисунков данного раздела:

Список литературы

Источник: ru.dsplib.org

Временная область и частотная область

Когда вы смотрите на электрический сигнал на осциллографе, вы видите линию, которая представляет изменения напряжения относительно времени. В любой конкретный момент времени сигнал имеет только одно значение напряжения. На осциллографе вы видите представление сигнала во временной области.

Типовая осциллограмма проста и интуитивно понятна, но она также имеет некоторые ограничения, поскольку она напрямую не раскрывает частотный состав сигнала. В отличие от представления во временной области, в котором один момент времени соответствует только одному значению напряжения, представление в частотной области (также называемое спектром) передает информацию о сигнале посредством определения различных частотных компонентов, которые представлены одновременно.

Рисунок 1 Представления во временной области синусоидального сигналаРисунок 1 Представления во временной области прямоугольного сигнала
Рисунок 1 – Представления во временной области синусоидального (вверху) и прямоугольного (внизу) сигналов
Рисунок 2 Частотные представления синусоидального (вверху) и прямоугольного (внизу) сигналов
Рисунок 2 – Частотные представления синусоидального (вверху) и прямоугольного (внизу) сигналов

Что такое фильтр?

Фильтр – это схема, которая удаляет или «отфильтровывает» определенный диапазон частотных компонентов. Другими словами, он разделяет спектр сигнала на частотные составляющие, которые будут передаваться дальше, и частотные составляющие, которые будут блокироваться.

Если у вас нет большого опыта анализа частотной области, вы можете быть не уверены в том, что представляют собой эти частотные компоненты и как они сосуществуют в сигнале, который не может иметь несколько значений напряжения одновременно. Давайте рассмотрим краткий пример, который поможет прояснить эту концепцию.

Давайте представим, что у нас есть аудиосигнал, который состоит из идеальной синусоидальной волны 5 кГц. Мы знаем, как выглядит синусоида во временной области, а в частотной области мы не увидим ничего, кроме частотного «всплеска» на 5 кГц. Теперь предположим, что мы включили генератор на 500 кГц, который вносит в аудиосигнал высокочастотный шум.

Сигнал, видимый на осциллографе, будет по-прежнему представлять собой только одну последовательность напряжений с одним значением на момент времени, но он будет выглядеть по-другому, поскольку его изменения во временной области теперь должны отражать как синусоидальную волну 5 кГц, так и высокочастотные колебания шума.

Однако в частотной области синусоида и шум являются отдельными частотными компонентами, которые присутствуют одновременно в этом одном сигнале. Синусоидальная волна и шум занимают разные участки представления сигнала в частотной области (как показано на диаграмме ниже), и это означает, что мы можем отфильтровать шум, направив сигнал через схему, которая пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты.

Рисунок 3 Представление аудиосигнала и высокочастотного шума в частотной области
Рисунок 3 – Представление аудиосигнала и высокочастотного шума в частотной области

Типы фильтров

В зависимости от особенностей амплитудно-частотных характеристик фильтры можно распределить по широким категориям. Если фильтр пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты, он называется фильтром нижних частот. Если он блокирует низкие частоты и пропускает высокие частоты, это фильтр верхних частот. Существуют также полосовые фильтры, которые пропускают только относительно узкий диапазон частот, и режекторные фильтры, которые блокируют только относительно узкий диапазон частот.

Рисунок 4 Амплитудно-частотные характеристики фильтров
Рисунок 4 – Амплитудно-частотные характеристики фильтров

Фильтры также могут быть классифицированы в соответствии с типами компонентов, которые используются для реализации схемы. Пассивные фильтры используют резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности; эти компоненты не способны обеспечить усиление, и, следовательно, пассивный фильтр может только сохранять или уменьшать амплитуду входного сигнала. Активный фильтр, напротив, может фильтровать сигнал и применять усиление, поскольку он включает в себя активный компонент, такой как транзистор или операционный усилитель.

Рисунок 5 Этот активный фильтр нижних частот основан на популярной топологии Саллена-Ки
Рисунок 5 – Этот активный фильтр нижних частот основан на популярной топологии Саллена-Ки

В данной статье рассматривается анализ и проектирование пассивных фильтров нижних частот. Эти схемы играют важную роль в самых разных системах и приложениях.

RC фильтр нижних частот

Чтобы создать пассивный фильтр нижних частот, нам нужно объединить резистивный элемент с реактивным элементом. Другими словами, нам нужна схема, которая состоит из резистора и либо конденсатора, либо катушки индуктивности. Теоретически, топология фильтров нижних частот резистор-индуктивность (RL) эквивалентна, с точки зрения фильтрующей способности, топологии фильтров нижних частот резистор-конденсатор (RC). Однако на практике версия резистор-конденсатор встречается гораздо чаще, и, следовательно, оставшаяся часть этой статьи будет посвящена RC фильтру нижних частот.

Рисунок 6 RC фильтр нижних частот
Рисунок 6 – RC фильтр нижних частот

Как вы можете видеть на схеме, пропускающая нижние частоты частотная характеристика RC фильтра создается путем установки резистора последовательно с путем прохождения сигнала и конденсатора параллельно нагрузке. На схеме нагрузка является отдельным компонентом, но в реальной цепи она может представлять что-то гораздо более сложное, например, аналого-цифровой преобразователь, усилитель или входной каскад осциллографа, который вы используете для измерения амплитудно-частотной характеристики фильтра.

Мы можем интуитивно проанализировать фильтрующее действие топологии RC фильтра нижних частот, если поймем, что резистор и конденсатор образуют частотно-зависимый делитель напряжения.

Рисунок 7 RC фильтр низких частот перерисован так, чтобы он выглядел как делитель напряжения
Рисунок 7 – RC фильтр нижних частот перерисован так, чтобы он выглядел как делитель напряжения

Когда частота входного сигнала низкая, полное сопротивление конденсатора будет высоким относительно полного сопротивления резистора; таким образом, большая часть входного напряжения падает на конденсаторе (и на нагрузке, которая параллельна конденсатору). Когда входная частота высокая, полное сопротивление конденсатора будет низким по сравнению с полным сопротивлением резистора, что означает, что на резисторе падает большее напряжение, и меньшее напряжение передается на нагрузку. Таким образом, низкие частоты пропускаются, а высокие частоты блокируются.

Это качественное объяснение работы RC фильтра нижних частот является важным первым шагом, но оно не очень полезно, когда нам нужно проектировать реальную схему, потому что термины «высокая частота» и «низкая частота» чрезвычайно расплывчаты. Инженеры должны создавать схемы, которые пропускают и блокируют определенные частоты. Например, в аудиосистеме, описанной выше, мы хотим сохранить сигнал 5 кГц и подавить сигнал 500 кГц. Это означает, что нам нужен фильтр, который переходит от пропускания к блокировке где-то между 5 кГц и 500 кГц.

Частота среза

Диапазон частот, для которого фильтр не вызывает значительного ослабления, называется полосой пропускания, а диапазон частот, для которых фильтр вызывает существенное ослабление, называется полосой задерживания. Аналоговые фильтры, такие как RC фильтр нижних частот, переходят из полосы пропускания в полосу задерживания всегда постепенно. Это означает, что невозможно идентифицировать одну частоту, на которой фильтр прекращает пропускать сигналы и начинает их блокировать. Однако инженерам нужен способ, чтобы удобно и кратко охарактеризовать амплитудно-частотную характеристику фильтра, и именно здесь в игру вступает понятие частоты среза.

Когда вы посмотрите на график амплитудно-частотной характеристики RC фильтра, вы заметите, что термин «частота среза» не очень точен. Изображение спектра сигнала, «разрезанного» на две половины, одна из которых сохраняется, а другая отбрасывается, неприменимо, поскольку затухание увеличивается постепенно по мере того, как частоты перемещаются от значений ниже частоты среза к значениям выше частоты среза.

Частота среза RC фильтра нижних частот фактически является частотой, на которой амплитуда входного сигнала уменьшается на 3 дБ (это значение было выбрано, поскольку уменьшение амплитуды на 3 дБ соответствует снижению мощности на 50%). Таким образом, частоту среза также называют частотой -3 дБ, и на самом деле это название является более точным и более информативным. Термин полоса пропускания относится к ширине полосы пропускания фильтра, и в случае фильтра нижних частот полоса пропускания равна частоте -3 дБ (как показано на диаграмме ниже).

Рисунок 8 Данная диаграмма показывает общие особенности амплитудно-частотной характеристики RC фильтра нижних частот. Ширина полосы пропускания равна частоте -3 дБ.
Рисунок 8 – Данная диаграмма показывает общие особенности амплитудно-частотной характеристики RC фильтра нижних частот. Ширина полосы пропускания равна частоте -3 дБ.

Как объяснялось выше, пропускающее низкие частоты поведение RC фильтра обусловлено взаимодействием между частотно-независимым импедансом резистора и частотно-зависимым импедансом конденсатора. Чтобы определить подробности амплитудно-частотной характеристики фильтра, нам нужно математически проанализировать взаимосвязь между сопротивлением (R) и емкостью (C); мы также можем манипулировать этими значениями, чтобы разработать фильтр, который соответствует точным спецификациям. Частота среза (fср) RC фильтра нижних частот рассчитывается следующим образом:

[f_{ср} = frac{1}{2pi RC}]

Давайте посмотрим на простой пример. Значения конденсаторов являются более сдерживающими, чем значения резисторов, поэтому мы начнем с распространенного значения емкости (например, 10 нФ), а затем воспользуемся формулой для определения необходимого значения сопротивления. Цель состоит в том, чтобы разработать фильтр, который будет сохранять аудиосигнал 5 кГц и подавлять шум 500 кГц. Мы попробуем частоту среза 100 кГц, а позже в этой статье мы более тщательно проанализируем влияние этого фильтра на обе частотные составляющие.

[100 times 10^3 = frac{1}{2 pi R (10times 10^{-9})} \ Rightarrow R=frac{1}{2 pi (10times 10^{-9})(100 times 10^3)} = 159,15 Ом]

Таким образом, резистор 160 Ом в сочетании с конденсатором 10 нФ даст нам фильтр, который дает амплитудно-частотную характеристику, близкую к необходимой.

Расчет амплитудно-частотной характеристики фильтра

Мы можем рассчитать теоретическое поведение фильтра нижних частот, используя частотно-зависимую версию типового расчета делителя напряжения. Выходное напряжение резистивного делителя напряжения выражается следующим образом:

Рисунок 9 Резистивный делитель напряжения
Рисунок 9 – Резистивный делитель напряжения

[V_{вых} = V_{вх} left( frac{R_2}{R_1 + R_2} right)]

RC фильтр использует эквивалентную структуру, но вместо R2 у нас конденсатор. Сначала мы заменим R2 (в числителе) на реактивное сопротивление конденсатора (XC). Далее нам нужно рассчитать величину полного сопротивления и поместить его в знаменатель. Таким образом, мы имеем

[V_{вых} = V_{вх} left( frac{X_C}{sqrt{R_1^2+X_C^2}} right)]

Реактивное сопротивление конденсатора указывает величину противодействия протеканию тока, но, в отличие от активного сопротивления, величина противодействия зависит от частоты сигнала, проходящего через конденсатор. Таким образом, мы должны рассчитать реактивное сопротивление на определенной частоте, и формула, которую мы используем для этого, следующая:

[X_C=frac{1}{2 pi f C}]

В приведенном выше примере схемы R ≈ 160 Ом, и C = 10 нФ. Предположим, что амплитуда Vвх равна 1 В, поэтому мы можем просто удалить Vвх из расчетов. Сначала давайте рассчитаем амплитуду Vвых на частоте необходимой нам синусоиды:

[X_{C_5кГц} = frac{1}{2 pi (5000)(10 times 10^{-9})}= 3183 Ом]

[V_{вых_5кГц} = frac{3183}{sqrt{3183^2+160^2}}= 0,999 В]

Амплитуда необходимого нам синусоидального сигнала практически не изменяется. Это хорошо, поскольку мы намеревались сохранить синусоидальный сигнал при подавлении шума. Этот результат неудивителен, поскольку мы выбрали частоту среза (100 кГц), которая намного выше частоты синусоидального сигнала (5 кГц).

Теперь посмотрим, насколько успешно фильтр ослабит шумовую составляющую.

[X_{C_500кГц} = frac{1}{2 pi (500 times 10^3)(10 times 10^{-9})}= 31,8 Ом]

[V_{вых_500кГц} = frac{31,8}{sqrt{31,8^2+160^2}}= 0,195 В]

Амплитуда шума составляет всего около 20% от первоначального значения.

Визуализация амплитудно-частотной характеристики фильтра

Наиболее удобным способом оценки влияния фильтра на сигнал является изучение графика его амплитудно-частотной характеристики. На этих графиках, часто называемых графиками Боде, амплитуда (в децибелах) откладывается по вертикальной оси, а частота – по горизонтальной оси; горизонтальная ось обычно имеет логарифмический масштаб, поэтому физическое расстояние между 1 Гц и 10 Гц такое же, как физическое расстояние между 10 Гц и 100 Гц, между 100 Гц и 1 кГц и так далее. Такая конфигурация позволяет нам быстро и точно оценить поведение фильтра в очень широком диапазоне частот.

Рисунок 10 Пример графика амплитудно-частотной характеристики
Рисунок 10 – Пример графика амплитудно-частотной характеристики

Каждая точка на кривой указывает амплитуду, которую будет иметь выходной сигнал, если входной сигнал имеет величину 1 В и частоту, равную соответствующему значению на горизонтальной оси. Например, когда частота входного сигнала равна 1 МГц, амплитуда выходного сигнала (при условии, что амплитуда входного сигнала равна 1 В) будет 0,1 В (поскольку –20 дБ соответствует уменьшению в десять раз).

Общий вид этой кривой амплитудно-частотной характеристики станет вам очень знакомым, если вы будете проводить больше времени со схемами фильтров. Кривая почти идеально плоская в полосе пропускания, а затем, по мере приближения частоты входного сигнала к частоте среза, скорость ее спада начинает увеличиваться. В конечном итоге скорость изменения затухания, называемая спадом, стабилизируется на уровне 20 дБ/декада, то есть уровень выходного сигнала уменьшается на 20 дБ при каждом увеличении частоты входного сигнала в десять раз.

Оценка производительности фильтра нижних частот

Если мы построим амплитудно-частотную характеристику фильтра, который мы разработали ранее в этой статье, то увидим, что амплитудный отклик на 5 кГц, по сути, равен 0 дБ (т.е. почти нулевое затухание), а амплитудный отклик на 500 кГц составляет приблизительно –14 дБ (что соответствует коэффициенту передачи 0,2). Эти значения согласуются с результатами расчетов, которые мы выполнили в предыдущем разделе.

Поскольку RC фильтры всегда имеют плавный переход от полосы пропускания к полосе задерживания, а затухание никогда не достигает бесконечности, мы не можем разработать «идеальный» фильтр, то есть фильтр, который не влияет на необходимый синусоидальный сигнал и полностью устраняет шум. Вместо этого у нас всегда есть компромисс. Если мы сместим частоту среза ближе к 5 кГц, то получим большее затухание шума, но так же и большее затухание полезного синусоидального сигнала, который мы хотим отправить на динамик. Если мы переместим частоту среза ближе к 500 кГц, то получим меньшее затухание на частоте полезного сигнала, но так же и меньшее затухание на частоте шума.

Фазовый сдвиг фильтра низких частот

До сих пор мы обсуждали способ, которым фильтр изменяет амплитуду различных частотных составляющих в сигнале. Однако реактивные элементы цепи в дополнение к влиянию на амплитуду всегда вносят сдвиг фазы.

Понятие фазы относится к значению периодического сигнала в определенный момент цикла. Таким образом, когда мы говорим, что схема вызывает сдвиг фазы, то имеем в виду, что она создает смещение между входным и выходным сигналами: входной и выходной сигналы больше не начинают и заканчивают свои циклы в один и тот же момент времени. Значение сдвига фазы, например, 45° или 90°, показывает, какое было создано смещение.

Каждый реактивный элемент в цепи вводит сдвиг фазы на 90°, но этот фазовый сдвиг происходит не сразу. Фаза выходного сигнала, так же как и амплитуда выходного сигнала, изменяется постепенно по мере увеличения частоты входного сигнала. В RC фильтре нижних частот у нас есть один реактивный элемент (конденсатор), и, следовательно, схема в конечном итоге будет вводить сдвиг фазы на 90°.

Как и в случае амплитудно-частотной характеристикой, фазо-частотную характеристику легче всего оценить, изучив график, на котором частота на горизонтальной оси приведена в логарифмическом масштабе. Приведенное ниже описание дает общее представление, а затем вы можете заполнить детали, изучив график.

  • Сдвиг фазы изначально равен 0°.
  • Он постепенно увеличивается до достижения 45° на частоте среза; на этом участке характеристики скорость изменения увеличивается.
  • После частоты среза сдвиг фазы продолжает увеличиваться, но скорость изменения уменьшается.
  • Скорость изменения становится очень малой, когда сдвиг фазы асимптотически приближается к 90 °.
Рисунок 11 Сплошная линия - это амплитудно-частотная характеристика, а пунктирная линия - это фазо-частотная характеристика. Частота среза составляет 100 кГц. Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фазы составляет 45°.
Рисунок 11 – Сплошная линия – это амплитудно-частотная характеристика, а пунктирная линия – это фазо-частотная характеристика. Частота среза составляет 100 кГц. Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фазы составляет 45°.

Фильтры нижних частот второго порядка

До сих пор мы предполагали, что RC фильтр нижних частот состоит из одного резистора и одного конденсатора. Эта конфигурация является фильтром первого порядка.

«Порядок» пассивного фильтра определяется количеством реактивных элементов, то есть конденсаторов или индуктивностей, которые присутствуют в цепи. Фильтр более высокого порядка имеет больше реактивных элементов, что приводит к большему сдвигу фазы и более крутому спаду АЧХ. Эта вторая характеристика является основной причиной для увеличения порядка фильтра.

Добавляя один реактивный элемент к фильтру, например, переходя от первого порядка ко второму или от второго к третьему, мы увеличиваем максимальный спад на 20 дБ/декада. Более крутой спад приводит к более быстрому переходу от низкого затухания к высокому затуханию, и это может привести к улучшению производительности, когда нет широкой полосы частот, отделяющей необходимые частотные компоненты от шумовых компонентов.

Фильтры второго порядка обычно строятся вокруг резонансного контура, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора (эта топология называется «RLC», т.е. резистор-индуктивность-конденсатор). Однако также возможно создание RC фильтров второго порядка. Как показано на рисунке ниже, всё, что нам нужно сделать, это включить каскадно два RC фильтра первого порядка.

Рисунок 12 RC фильтр нижних частот второго порядка
Рисунок 12 – RC фильтр нижних частот второго порядка

Хотя эта топология, безусловно, создает характеристику второго порядка, она широко не используется – как мы увидим в следующем разделе, ее амплитудно-частотная характеристика часто уступает амплитудно-частотной характеристике активного фильтра второго порядка или RLC фильтра второго порядка.

Амплитудно-частотная характеристика RC фильтра второго порядка

Мы можем попытаться создать RC фильтр нижних частот второго порядка, разработав фильтр первого порядка в соответствии с необходимой частотой среза, а затем соединив два этих каскада первого порядка последовательно. Это даст фильтр, который имеет аналогичную общую амплитудно-частотную характеристику и максимальный спад 40 дБ/декада вместо 20 дБ/декада.

Однако если мы посмотрим на АЧХ более внимательно, то увидим, что частота –3 дБ снизилась. RC фильтр второго порядка ведет себя не так, как ожидалось, поскольку эти два звена не являются независимыми – мы не можем просто соединить эти две звена вместе и проанализировать схему как фильтр нижних частот первого порядка, за которым следует идентичный фильтр нижних частот первого порядка.

Кроме того, даже если мы вставим буфер между этими двумя звеньями, чтобы первое RC звено и второе RC звено могли работать как независимые фильтры, затухание на исходной частоте среза будет составлять 6 дБ вместо 3 дБ. Это происходит именно потому, что два звена работают независимо – первый фильтр вносит затухание 3 дБ на частоте среза, а второй фильтр добавляет еще 3 дБ затухания.

Рисунок 13 Сравнение амплитудно-частотных характеристик фильтров нижних частот второго порядка
Рисунок 13 – Сравнение амплитудно-частотных характеристик фильтров нижних частот второго порядка

Основное ограничение RC фильтра нижних частот второго порядка состоит в том, что разработчик не может точно настроить переход от полосы пропускания к полосе задерживания, регулируя добротность (Q) фильтра; этот параметр указывает, насколько сглажена амплитудно-частотная характеристика. Если вы каскадно соединяете два идентичных RC фильтра нижних частот, общая передаточная функция соответствует отклику второго порядка, но добротность всегда равна 0,5. Когда Q = 0,5, фильтр находится на границе чрезмерного затухания, и это приводит к амплитудно-частотной характеристике, которая «провисает» в переходной области. Активные фильтры второго порядка и резонансные фильтры второго порядка не имеют такого ограничения; разработчик может управлять добротностью и, таким образом, точно настраивать амплитудно-частотную характеристику в переходной области.

Резюме

  • Все электрические сигналы содержат смесь необходимых частотных компонентов и нежелательных частотных компонентов. Нежелательные частотные компоненты обычно вызваны шумом и помехами, и в некоторых ситуациях они отрицательно влияют на производительность системы.
  • Фильтр – это схема, которая по-разному реагирует на разные части спектра сигнала. Фильтр нижних частот предназначен для пропускания низкочастотных компонентов и блокирования высокочастотных компонентов.
  • Частота среза фильтра нижних частот указывает частотную область, в которой фильтр переходит от низкого затухания к существенному затуханию.
  • Выходное напряжение RC фильтра нижних частот можно рассчитать, рассматривая схему как делитель напряжения, состоящий из (независимого от частоты) активного сопротивления и (зависимого от частоты) реактивного сопротивления.
  • График амплитуды выходного сигнала (в дБ на вертикальной оси) в зависимости от частоты (в герцах в логарифмическом масштабе на горизонтальной оси) является удобным и эффективным способом проверки теоретического поведения фильтра (амплитудно-частотная характеристика). Вы также можете использовать график зависимости фазы выходного сигнала от частоты в логарифмическом масштабе, чтобы определить величину сдвига фазы, которая будет применяться к входному сигналу (фазо-частотная характеристика).
  • Фильтр второго порядка обеспечивает более крутой спад; эта характеристика второго порядка полезна, когда сигнал не обеспечивает широкую полосу разделения между необходимыми частотными компонентами и нежелательными частотными компонентами.
  • Вы можете создать RC фильтр нижних частот второго порядка, создав два идентичных RC фильтра нижних частот первого порядка, а затем подключив выход одного к входу другого. Итоговая частота –3 дБ будет ниже ожидаемой.

Оригинал статьи:

  • Robert Keim. What Is a Low Pass Filter? A Tutorial on the Basics of Passive RC Filters

Источник: radioprog.ru


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.