Có một thời đại mà khi gọi điện thoại ở những nơi ở khoảng cách xa, người ta phải đặt miệng rất gần máy phát, nói thật chậm và thật to để người ở đầu dây bên kia có thể nghe rõ. Ngày nay, chúng tôi thậm chí có thể gọi điện video trên toàn thế giới với độ phân giải chất lượng cao. Bí mật của sự phát triển vượt bậc của công nghệ nằm ở Điện bộ lọc học thuyết và Lý thuyết đường truyền . Bộ lọc điện là các mạch chỉ vượt qua dải tần số đã chọn trong khi làm giảm các tần số không mong muốn khác. Một trong những bộ lọc như vậy là Bộ lọc thông cao .
Bộ lọc thông cao là gì?
Định nghĩa của bộ lọc thông cao là một bộ lọc chỉ cho đi những tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt, do đó làm giảm tín hiệu có tần số thấp hơn. Giá trị của tần số cắt phụ thuộc vào thiết kế của bộ lọc.
Mạch lọc thông cao
Bộ lọc High Pass cơ bản được xây dựng bằng một chuỗi kết nối tụ điện và điện trở . Trong khi tín hiệu đầu vào được áp dụng cho tụ điện , đầu ra được vẽ qua điện trở .
Mạch lọc thông cao
Trong cách sắp xếp mạch này, tụ điện có điện kháng cao ở tần số thấp hơn nên nó hoạt động như một mạch hở đối với các tín hiệu đầu vào tần số thấp cho đến khi đạt đến tần số cắt ‘fc’. Bộ lọc làm suy giảm tất cả các tín hiệu dưới mức tần số cắt. Ở tần số trên mức tần số bị cắt, điện kháng của tụ điện trở nên thấp và nó hoạt động như một sự ngắn mạch đối với các tần số này, do đó cho phép chúng truyền trực tiếp đến đầu ra.
Bộ lọc thông cao RC thụ động
Bộ lọc High Pass được hiển thị ở trên còn được gọi là Bộ lọc thông cao RC thụ động vì mạch được xây dựng chỉ bằng cách sử dụng yếu tố thụ động . Không cần sử dụng nguồn điện bên ngoài để làm việc của bộ lọc. Ở đây tụ điện là phần tử phản kháng và đầu ra được vẽ trên điện trở.
Đặc điểm bộ lọc thông cao
Khi chúng ta nói về tần số cắt chúng tôi đề cập đến điểm trong đáp ứng tần số của bộ lọc trong đó độ lợi bằng 50% độ lợi đỉnh của tín hiệu. i.e. 3dB của mức tăng đỉnh. Trong Bộ lọc thông cao, tăng khi tăng tần số.
Đường cong tần số bộ lọc thông cao
Tần số cắt fc này phụ thuộc vào giá trị R và C của mạch. Ở đây Hằng số thời gian τ = RC, tần số cắt tỷ lệ nghịch với hằng số thời gian.
Tần số ngắt = 1 / 2πRC
Mạch tăng được cung cấp bởi AV = Vout / Vin
.I E. AV = (Vout) / (V in) = R / √ (Rhai+ Xchai) = R / Z
Ở tần số thấp f: Xc → ∞, Vout = 0
Ở tần số cao f: Xc → 0, Vout = Vin
Đáp ứng tần số bộ lọc thông cao hoặc lô mã bộ lọc thông cao
Trong bộ lọc thông cao, tất cả các tần số nằm dưới tần số cắt 'fc' đều bị suy giảm. Tại điểm tần số bị cắt này, chúng ta nhận được độ lợi -3dB và tại điểm này điện trở của tụ điện và giá trị điện trở sẽ giống nhau. I.e. R = Xc. Lợi nhuận được tính là
Tăng (dB) = 20 log (Vout / Vin)
Độ dốc của đường cong bộ lọc thông cao là +20 d B / thập kỷ. I.e. sau khi vượt qua mức tần số cắt, đáp ứng đầu ra của mạch tăng từ 0 đến Vin với tốc độ +20 dB mỗi thập kỷ, tức là tăng 6 dB trên mỗi quãng tám.
Đáp ứng tần số bộ lọc thông cao
Vùng từ điểm ban đầu đến điểm tần số cắt được gọi là dải dừng vì không có tần số nào được phép đi qua. Vùng từ trên điểm tần số cắt. tức là điểm -3 dB được gọi là băng chuyền . Ở tần số cắt, biên độ điện áp đầu ra điểm sẽ bằng 70,7% điện áp đầu vào.
Đây băng thông của bộ lọc biểu thị giá trị của tần số mà tín hiệu được phép đi qua. Ví dụ, nếu băng thông của bộ lọc thông cao được cho là 50 kHz thì có nghĩa là chỉ các tần số từ 50 kHz đến vô cùng mới được phép đi qua.
Góc pha của tín hiệu đầu ra là +450 tại tần số cắt. Công thức tính độ lệch pha của bộ lọc thông cao là
∅ = arctan (1 / 2πfRC)
Đường cong dịch chuyển pha
Trong ứng dụng thực tế, phản hồi đầu ra của bộ lọc không mở rộng đến vô cùng. Đặc tính điện của các phần tử lọc áp dụng giới hạn cho phản ứng của bộ lọc. Bằng cách lựa chọn phù hợp các thành phần bộ lọc, chúng tôi có thể điều chỉnh phạm vi tần số bị suy giảm, phạm vi được thông qua, v.v.
Bộ lọc thông cao sử dụng Op-Amp
Trong bộ lọc thông cao này cùng với các phần tử bộ lọc thụ động, chúng tôi thêm Op-amp vào mạch. Thay vì nhận được phản hồi đầu ra vô hạn, ở đây phản hồi đầu ra bị giới hạn bởi vòng lặp mở đặc điểm của Op-amp . Do đó, bộ lọc này hoạt động như một bộ lọc băng thông với tần số cắt được xác định bởi đặc tính băng thông và độ lợi của Op-amp.
Bộ lọc thông cao sử dụng Op-Amp
Độ lợi điện áp vòng hở của Op-amp đóng vai trò như một giới hạn đối với băng thông của bộ khuếch đại . Độ lợi của bộ khuếch đại giảm xuống 0 dB khi tần số đầu vào tăng lên. Đáp ứng của mạch tương tự như bộ lọc thông cao thụ động nhưng ở đây độ lợi của Op-amp khuếch đại biên độ của tín hiệu đầu ra.
Các đạt được của bộ lọc sử dụng Op-amp không đảo ngược được đưa ra bởi:
AV = Vout / Vin = (Tắt (f / fc)) / √ (1+ (f / fc) ^ 2)
trong đó Af là độ lợi băng thông của bộ lọc = 1+ (R2) / R1
f là tần số của tín hiệu đầu vào tính bằng Hz
fc là tần số cắt
Khi dung sai thấp điện trở và tụ điện được sử dụng các bộ lọc High Pass Active này cung cấp độ chính xác và hiệu suất tốt.
Bộ lọc thông cao hoạt động
Bộ lọc thông cao sử dụng Op-amp còn được gọi là bộ lọc thông cao hoạt động bởi vì cùng với các phần tử thụ động, tụ điện và điện trở một phần tử tích cực Op-amp được sử dụng trong mạch . Sử dụng phần tử tích cực này, chúng ta có thể kiểm soát tần số cắt và dải đáp ứng đầu ra của bộ lọc.
Bộ lọc thông cao bậc hai
Các mạch lọc mà chúng ta thấy cho đến bây giờ đều được coi là bộ lọc thông cao bậc nhất. Trong bộ lọc thông cao bậc hai, một khối bổ sung của mạng RC được thêm vào bộ lọc thông cao đơn hàng đầu tiên tại đường dẫn đầu vào.
Bộ lọc thông cao bậc hai
Các đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao bậc hai tương tự như bộ lọc thông cao bậc nhất. Nhưng ở bậc hai dải dừng của bộ lọc thông cao sẽ gấp đôi dải của bộ lọc bậc nhất ở 40dB / Thập kỷ. Bộ lọc bậc cao hơn có thể được hình thành bằng cách xếp tầng bộ lọc bậc một và bậc hai. Mặc dù không có giới hạn về thứ tự, nhưng kích thước của bộ lọc tăng lên cùng với thứ tự và độ chính xác của chúng giảm xuống. Nếu ở bộ lọc bậc cao hơn R1 = R2 = R3, v.v… và C1 = C2 = C3 = v.v… thì tần số cắt sẽ giống nhau bất kể thứ tự của bộ lọc.
Bộ lọc thông cao bậc hai
Tần số cắt của bộ lọc High Pass Active bậc hai có thể được cung cấp như
fc = 1 / (2π√ (R3 R4 C1 C2))
Chức năng chuyển bộ lọc thông cao
Khi trở kháng của tụ điện thay đổi thường xuyên, các bộ lọc điện tử có phản ứng phụ thuộc vào tần số.
Trở kháng phức tạp của tụ điện được cho là Zc = 1 / sC
Trong đó, s = σ + jω, ω là tần số góc tính bằng radian trên giây
Chức năng truyền của một mạch có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân tích mạch tiêu chuẩn như Định luật Ohm , Kirchhoff's Laws , Chồng chất v.v ... Dạng cơ bản của một hàm Truyền được cho bởi phương trình
H (s) = (am s ^ m + a (m-1) s ^ (m-1) + ⋯ + a0) / (bn s ^ n + b (n-1) s ^ (n-1) + ⋯ + b0)
Các thứ tự của bộ lọc được biết bằng bậc của mẫu số. Poles và Zeros của mạch được chiết xuất bằng cách giải các nghiệm của phương trình. Hàm có thể có gốc thực hoặc phức. Cách các gốc này được vẽ trên mặt phẳng s, trong đó σ được biểu thị bằng trục hoành và ω được biểu thị bằng trục tung, cho thấy rất nhiều thông tin về mạch. Đối với bộ lọc thông cao, số 0 nằm ở gốc.
H (jω) = Vout / Vin = (-Z2 (jω)) / (Z1 (jω))
= - R2 / (R1 + 1 / jωC)
= -R2 / R1 (1 / (1+ 1 / (jωR1 C))
Đây H (∞) = R2 / R1, đạt được khi ω → ∞
τ = R1 C và ωc = 1 / (τ) .i.e. ωc = 1 / (R1C) là tần số cắt
Do đó, hàm truyền của bộ lọc thông cao được đưa ra bởi H (jω) = - H (∞) (1 / (1+ 1 / jωτ))
= - H (∞) (1 / (1- (jωc) / ω))
Khi tần số đầu vào thấp thì Z1 (jω) lớn, do đó đáp ứng đầu ra thấp.
H (jω) = (- H (∞)) / √ (1+ (ωc / ω) ^ 2) = 0 khi ω = 0 H (∞) / √2 khi ω = ω_c
và H (∞) khi ω = ∞. Ở đây dấu âm chỉ ra sự chuyển pha.
Khi R1 = R2 thì s = jω và H (0) = 1
Vì vậy, hàm truyền của Bộ lọc thông cao H (jω) = jω / (jω + ω_c)
Bơ có giá trị cao Bộ lọc
Bên cạnh việc loại bỏ các tần số không mong muốn, một bộ lọc lý tưởng cũng phải có độ nhạy đồng đều cho các tần số mong muốn. Một bộ lọc lý tưởng như vậy là không thực tế. Nhưng Stephen Butter có giá trị trong bài báo của ông “Về lý thuyết bộ khuếch đại bộ lọc” đã chỉ ra rằng loại bộ lọc này có thể đạt được bằng cách tăng số phần tử bộ lọc có cường độ phù hợp.
Bơ đáng lọc được thiết kế theo cách mà nó cho đáp ứng tần số phẳng trong băng tần của bộ lọc và giảm dần về 0 trong băng tần dừng. Một nguyên mẫu cơ bản của Bơ đáng lọc là thiết kế thông thấp nhưng bằng cách sửa đổi vượt qua cao và bộ lọc băng thông có thể được thiết kế.
Như chúng ta đã thấy ở trên đối với mức tăng đơn vị bộ lọc thông cao bậc nhất là H (jω) = jω / (jω + ω_c)
Đối với n bộ lọc như vậy trong chuỗi H (jω) = (jω / (jω + ω_c)) ^ n mà khi giải quyết tương đương với
‘N’ điều khiển thứ tự chuyển tiếp giữa băng thông và băng dừng. Do đó bậc cao hơn, chuyển đổi nhanh chóng, do đó, tại n = ∞ Bộ lọc giá trị bơ trở thành Bộ lọc thông cao lý tưởng.
Trong quá trình thực hiện bộ lọc này để đơn giản, chúng tôi coi ωc = 1 và giải hàm truyền
cho s = jω .i.e. H (s) = s / (s + ωc) = s / (s + 1) cho đơn hàng 1:
H (s) = s ^ 2 / (s ^ 2 + ∆ωs + (ωc ^ 2) cho đơn hàng 2
Do đó, chức năng truyền của tầng trong Bộ lọc thông cao là
Bộ lọc Bode Plot of Butter giá trị cao
Các ứng dụng của Bộ lọc thông cao
Các ứng dụng bộ lọc thông cao chủ yếu bao gồm những điều sau đây.
- Các bộ lọc này được sử dụng trong loa để khuếch đại.
- Bộ lọc thông cao được sử dụng để loại bỏ các âm thanh không mong muốn ở gần cuối dải âm thanh thấp hơn.
- Để ngăn chặn sự khuếch đại của Dòng điện một chiều có thể gây hại cho bộ khuếch đại, các bộ lọc thông cao được sử dụng cho khớp nối AC.
- Bộ lọc High Pass trong Đang xử lý hình ảnh : Bộ lọc thông cao được sử dụng trong xử lý hình ảnh để làm sắc nét các chi tiết. Bằng cách áp dụng các bộ lọc này trên một hình ảnh, chúng tôi có thể phóng đại từng phần nhỏ của chi tiết trong hình ảnh. Nhưng lạm dụng có thể làm hỏng hình ảnh vì các bộ lọc này khuếch đại nhiễu trong hình ảnh.
Vẫn còn rất nhiều phát triển trong thiết kế của các bộ lọc này để đạt được kết quả ổn định và lý tưởng. Những thiết bị đơn giản này đóng một vai trò quan trọng trong đa dạng hệ thống điều khiển , hệ thống tự động, Xử lý hình ảnh và âm thanh. Ứng dụng nào của Bộ lọc thông cao bạn đã đi qua
