Was ist ein Hochpassfilter: Funktionieren und seine Anwendungen

Filter sind die elektronischen Schaltungen, die bestimmte Frequenzkomponenten zulassen und die unerwünschten Frequenzkomponenten eines Eingangssignals dämpfen. Diese finden sich in verschiedenen elektronischen Anwendungen, um einen bestimmten Frequenzbereich eines Signals zu ermöglichen. Grundsätzlich werden Filter in zwei Typen unterteilt, basierend auf der Art der Komponenten, die bei der Konstruktion und beim Betrieb verwendet werden. Sie sind passive Filter und aktive Filter. Je nach Frequenzbereich werden Filter in 4 Typen eingeteilt. Sie sind Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Bandpassfilter und Bandstoppfilter. Dieser Artikel beschreibt den Hochpassfilter, der sowohl als aktiver Filter als auch als passiver Filter verwendet werden kann.Was ist ein Hochpassfilter?Der Filter kann hochfrequente Komponenten eines Signals durchlassen und alle niederfrequenten Komponenten eines Signals dämpfen Signal, wird als Hochpassfilter bezeichnet. Es kann Hochfrequenzkomponenten zulassen, die größer als die Grenzfrequenz sind, und alle anderen unerwünschten Frequenzkomponenten eines Signals zurückweisen. Diese Filtertypen finden sich in verschiedenen HF-Schaltungen und Signalverarbeitungssystemen. In der Praxis lässt dieses Filter niedrigere Frequenzen eines Signals zu, die niedriger als die Grenzfrequenz sind. HochpassfilterschaltungDiese Schaltung entspricht der einer Tiefpassfilterschaltung, außer dass die Komponenten Widerstand und Kondensator vertauscht sind, wie in der Abbildung unten gezeigt.HochpassfilterschaltungZwei passive Elemente Widerstand und Kondensator sind in Reihe geschaltet, um Frequenzen über der Grenzfrequenz eines Signals zu ermöglichen. Die Ausgangsspannung eines Signals wird am Widerstand durch Anlegen einer Eingangsspannung an den Kondensator erhalten. Dieser Filtertyp fällt unter die Hochpassfilterschaltung erster Ordnung. Der HPF zweiter Ordnung ist nichts anderes als eine Kaskadierung von zwei RC-Hochpassfilterschaltungen in Reihe. Die Verstärkung des Durchlassbandes im HPF zweiter Ordnung wird mit einer Rate von +40 dB/Dekade erhöht. Widerstand und Induktivität (passive RL HPF) je nach Anwendung. Der passive RC HPF wird für Anwendungen im Audio- oder Tieftonbereich verwendet. Die passiven RL HPF-Schaltungen werden für Anwendungen im HF- oder Hochfrequenzbereich verwendet. Die Hochpassfilterschaltung wird aufgrund der Verwendung von passiven Elementen wie einem Widerstand und einem Kondensator auch als passiver RC-Hochpassfilter bezeichnet. Der Hauptvorteil besteht darin, dass keine externe Stromversorgung oder Verstärkungskomponenten erforderlich sind. Der passive RC-HPF ist eine einfache RC-HPF-Schaltung, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Der Kondensator und der Widerstand sind in Reihe geschaltet, wobei die Ausgangsspannung über dem Widerstand entwickelt wird. Aufgrund der Reaktanz des Kondensators lässt das Filter nur hohe Frequenzen eines Signals über der Grenzfrequenz zu und sperrt die unteren Frequenzen eines Signals unterhalb der Grenzfrequenz. EigenschaftenDiese Hochpassfiltereigenschaften werden in Bezug auf den Frequenzgang und die Phasenverschiebung eines Ausgangssignals erklärt.Ideale EigenschaftenDie Haupteigenschaft eines HPF ist, dass er alle Hochfrequenzkomponenten über der Grenzfrequenz durchlässt und alle tiefen Frequenzen dämpft eines Signals, die niedriger als die Grenzfrequenz sind. Die idealen Eigenschaften eines HPF sind unten gezeigt. Der Durchlassbereich wird als HPF bezeichnet und ermöglicht die höheren Frequenzen, die größer als die Grenzfrequenz sind. Dieses Filter dämpft die tiefen Frequenzen, die als Sperrbereich bezeichnet werden.Ideale Eigenschaften des HochpassfiltersFrequenzgangDie Frequenz eines Ausgangssignals ist direkt proportional zur Verstärkung. Mit steigender Frequenz steigt die Verstärkung. Der Frequenzgang eines RC-Hochpassfilters hängt von der Reaktanz eines Kondensators ab. Der Kondensator erzeugt die erforderliche Reaktanz oder hohe Reaktanz, um die niedrigen Frequenzen eines Signals zu dämpfen, dh unterhalb der Grenzfrequenz. Bei niedriger Reaktanz des Kondensators lässt das RC-Hochpassfilter die Hochfrequenzkomponenten eines Signals, dh größer als die Grenzfrequenz, zu. Aber praktisch lässt der RC-Hochpassfilter die tiefen Frequenzen unterhalb seiner Grenzfrequenz zu. Die Verstärkung des RC-Hochpassfilters wird eins, wenn die Reaktanz bei hohen Frequenzen niedrig/null ist. Das heißt, die Ausgangsspannung ist gleich der angegebenen Eingangsspannung. Um hohe Frequenzen zuzulassen und niedrige Frequenzen abzulehnen, nimmt die kapazitive Reaktanz mit einer Erhöhung der Frequenz ab, was zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung und Verstärkung führt. Die kapazitive Reaktanz wird angegeben als,Xc = 1/2πfcWobei 'fc' = Grenzfrequenz in Hz'Xc'= kapazitive ReaktanzDer Frequenzgang und die Phasenverschiebungscharakteristik eines RC-Hochpassfilters sind unten gezeigt.RC HPF-Eigenschaften Aus der Abbildung können wir erkennen, dass die niedrigen Frequenzen blockiert/unterdrückt werden und die Ausgangsspannung um +20 dB/Dekade erhöhen, wenn die Frequenz bei der Grenzfrequenz und R=Xc liegt. Der RC-Hochpassfilter lässt die hohen Frequenzen (von der Grenzfrequenz bis unendlich) zu, wenn die Ausgangsspannung 0.7071 oder 70.71 % ihrer Eingangsspannung beträgt, dh bei -3 dB Eingangs- und Ausgangspegel (durch Berechnung von 20 log Vout/Vin). Das heißt, der Frequenzgang eines HPF ist, Hochfrequenzsignale sind von der Grenzfrequenz bis unendlich erlaubt. Bei der Grenzfrequenz ist die Phasenverschiebung von Eingangs- und Ausgangssignal gleich, dh bei 45°. Wenn die Frequenz eines Signals größer als die Grenzfrequenz ist, ist der Phasenwinkel Null. Das bedeutet, dass das Ausgangssignal bei hohen Frequenzen in Bezug auf das Eingangssignal in Phase ist. Die Zeit zum Laden und Entladen eines Kondensators wird in Form der Zeitkonstante ausgedrückt, die mit „τ“ bezeichnet wird. Die Zeitkonstante eines RC-Hochpassfilters ist gegeben alsτ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RCDie Grenzfrequenz eines RC-HPF ist gegeben als,fc= 1/2πRCDie Phasenverschiebung eines RC-HPF ist gegeben alsΦ=tan-1 (1/2πfRC)Wobei 'fc' = Grenzfrequenz in Hz'f' = Betriebsfrequenz in Hz'R' = Widerstandswert in Ohm'C'= Wert des Kondensators in FaradsHochpass Filter mit Op-AmpDer Hochpassfilter mit Op-Amp ist sehr einfach zu entwerfen und zu implementieren, da er nur begrenzte Anzahl verwendet. von elektronischen Komponenten und entfernt Rauschen und Brummen. Das Schaltbild des Hochpassfilters mit Operationsverstärker ist unten gezeigt. Der passive RC HPF ist mit dem nicht invertierenden Operationsverstärker verbunden, um die Verstärkung und die Spannungsverstärkung zu steuern.Hochpassfilter mit Op-AmpDer Ausgang wird durch die Open-Loop-Eigenschaften des Operationsverstärkers begrenzt. Der Ausgang des RC HPF wird an einen Operationsverstärker zur Verstärkung und Steuerung der Spannungsverstärkung des Ausgangssignals angelegt /fc)/√(1+(f/fc)2)Wobei Av= Spannungsverstärkung in dB= 1+R2/R1Af = Durchlassverstärkungfc= Grenzfrequenz in Hzf = Betriebsfrequenz in HzWenn f < fc (niedrige Frequenzen) , dann Vout/Vin < AfWenn f = fc (bei Grenzfrequenz), dann Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071AfWenn f > fc (hohe Frequenzen), dann Vout/Vin = AfDie Regelkreisbandbreite von Der Operationsverstärker bestimmt die höchste Frequenz des HPF, der die konstante Durchlassbandverstärkung Af hat )Aktiver HochpassfilterWenn der RC-Hochpassfilter mit dem aktiven Element wie einem Operationsverstärker verbunden ist, um die hohen Frequenzen zuzulassen und die niedrigen Frequenzen zu unterdrücken, wird er als aktiver HPF bezeichnet. Der Frequenzgang und die Phasenverschiebung des aktiven HPF sind die gleichen wie beim RC HPF. Der Zweck des aktiven Hochpassfilters besteht darin, die Spannungsverstärkung zu steuern und das Ausgangssignal zu verstärken. Das Schaltbild des aktiven Hochpassfilters zur Verstärkung ist unten dargestellt.Aktiver HPF zur VerstärkungDie RC HPF-Schaltung ist mit dem nicht invertierenden Operationsverstärker verbunden. Der Ausgang und die Grenzfrequenz des passiven Hochpassfilters werden vom Operationsverstärker gesteuert. Wobei die Bandbreiten- und Verstärkungseigenschaften des Operationsverstärkers die Grenzfrequenz bestimmen. Dieser Filtertyp fungiert als Bandpassfilter. Der Operationsverstärker erhöht die Amplitude des Ausgangssignals und die Ausgangsspannungsverstärkung des Durchlassbandes wird als 1 + R2 / R1 angegeben, was dem Tiefpassfilter entspricht. ÜbertragungsfunktionUm die Übertragungsfunktion des Hochpassfilters abzuleiten, werden wir Betrachten Sie eine passive RC-HPF-Schaltung, wie oben gezeigt. Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC))Die obige Gleichung wird,H(s)=sCR/(1+sCR)Durch Einsetzen von s=jw in die obige GleichungH(jω)=jωCR /(1+jωCR)Dann wird die GleichungDer Betrag der HPF-Übertragungsfunktion wird dargestellt als|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )Wenn ω = 0, dann ist die HPF-Übertragungsfunktion = 0If ω = 1/CR, dann die HPF-Übertragungsfunktion = 0.707Wenn ω = unendlich, dann die HPF-Übertragungsfunktion = 1 Daher zeigen die obigen Übertragungsfunktionseigenschaften, dass der passive RC-Hochpassfilter die hohen Frequenzen von der Grenzfrequenz bis i . zulassen kann unendlich. dh variiert von 0 bis 1, wenn ω von 0 bis unendlich variiert. Butterworth HPFDer Butterworth-Hochpassfilter ist einer der HPF-Typen, der einen flachen Frequenzgang im Durchlassband bereitstellt. Aufgrund seines flachen Frequenzgangs treten keine Welligkeiten auf. Es ist auch als Flat-Flat-Filter bekannt und wird in verschiedenen Anwendungen verwendet, bei denen die Regelkreisverstärkung des Durchlassbands Eins ist. Das Schaltbild und der Frequenzgang des Butterworth-Hochpassfilters erster Ordnung sind unten dargestellt. Diese sind sehr einfach und einfach zu entwerfen.Butterworth HPF Die Verstärkung steigt mit einer Rate von +20 dB/Dekade für das Butterworth HPF erster Ordnung und während es für das Butterworth HPF zweiter Ordnung +40 dB/Dekade beträgt.Butterworth HPF-EigenschaftenAnwendungenDie Anwendungen von Hochpassfiltern sindLautsprecher zum Verstärken von SignalenBildverarbeitungVerwenden bei der Verstärkung von Gleichstrom und zur AC-KopplungSteuerungssysteme und Audioverarbeitungssysteme.DSL-Splitter in TelefonenHF-AnwendungenDies ist also ein Überblick über Hochpassfilter (sowohl aktive als auch passiveTypen) - Definition, Schaltung, Butterworth HPF, HPF mit Op-Amp und seine Anwendungen. Hier ist eine Frage an Sie: „Was sind die Vor- und Nachteile von Hochpassfiltern?“

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