Полное руководство по типам фильтров в обработке сигналов

В общем, фильтры — это процессы или устройства, которые устраняют ненужные компоненты или признаки из частотного сигнала в ходе обработки сигналов. Они широко применяются в компьютерной графике, обработке изображений, системах управления, радарах, телекоммуникациях и других областях. Существует множество типов фильтров, которые мы подробно рассмотрим в этой статье.

Типы электронных линейных фильтров

Что такое фильтр?

Фильтр — это схема, удаляющая нежелательные компоненты, такие как электронные сигналы, шумы и т.д., по мере их прохождения через фильтрующие устройства или среды.

Другое определение фокусируется на подавлении определенных частот при одновременном усилении или пропускании других. Таким образом, электронные фильтры извлекают полезные частоты из сигналов, содержащих нерелевантные или ненужные частотные составляющие.

Типы фильтров

Производители классифицируют фильтры в зависимости от метода их конструкции и частотной характеристики.

По конструкции

По конструктивному признаку выделяют два основных типа фильтров.

• Пассивные фильтры

Пассивный фильтр — это тип фильтра, состоящий из пассивных компонентов: катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов.

Пассивный полосовой фильтр

Поскольку они не требуют внешнего источника энергии, такие фильтры не обеспечивают коэффициент усиления по напряжению. Напряжение на выходе всегда ниже напряжения на входе.

Кроме того, пассивные фильтры не обрабатывают низкие частоты, но эффективно фильтруют высокочастотные сигналы.

Пассивные фильтры имеют простую конструкцию. Однако подключение нагрузки к фильтру меняет его характеристики. Каскадное соединение для получения фильтра более высокого порядка также влияет на его элементы.

• Активные фильтры

В отличие от пассивных, активные фильтры содержат активные компоненты: транзисторы, операционные усилители, конденсаторы и резисторы.

Активный фильтр

Их недостаток — необходимость во внешнем источнике питания, зато они обеспечивают высокий коэффициент усиления по напряжению, что позволяет усиливать слабые входные сигналы. Активные фильтры не обрабатывают сверхвысокие частоты, но отлично справляются с фильтрацией исключительно низких частот.

Активные фильтры имеют более сложную конструкцию, но обеспечивают низкое выходное и высокое входное сопротивление. Поэтому импеданс нагрузки не влияет на характеристики фильтра.

Наконец, для повышения порядка фильтра активные фильтры соединяют в каскадную конфигурацию без потери мощности входного сигнала.

По частотной характеристике (АЧХ)

Вторая классификация фильтров основана на их частотной характеристике:

Низкочастотный фильтр (LPF)

Низкочастотный фильтр пропускает низкочастотные сигналы без ослабления их мощности, а высокочастотные — подавляет.

Низкочастотный фильтр

Фильтр включает реактивный элемент, чье сопротивление меняется в зависимости от частоты входного сигнала. Изменение реактивного сопротивления вызывает изменение падения напряжения в цепи. Большое падение напряжения на выходе позволяет сигналу пройти, маленькое — блокирует его.

Высокочастотный фильтр (HPF)

Высокочастотный фильтр блокирует низкочастотные сигналы и пропускает высокочастотные без ослабления их амплитуды.

Высокочастотный фильтр

Сигнал с частотой выше срезовой проходит с полной амплитудой. Сигнал с частотой ниже срезовой блокируется.

Полосовой фильтр (BPF)

Полосовой фильтр подавляет частоты выше и ниже полосы пропускания, пропуская только определенный диапазон частот.

Полосовой фильтр

Он имеет две граничные частоты: верхнюю и нижнюю. Фильтр блокирует высокие и низкие частоты, пропуская частоты полосы пропускания (между граничными) без ослабления.

Если соединить высокочастотный и низкочастотный фильтры в каскаде, получится полосовой фильтр: высокочастотный блокирует низкие частоты, низкочастотный — высокие.

Режекторный фильтр / Участочный фильтр / Полосной режектор (BSF)

Режекторный фильтр ослабляет или ограничивает частоты сигнала в фиксированном диапазоне.

Полосной режектор / Режекторный фильтр

Его действие диаметрально противоположно полосовому фильтру. Участочный фильтр пропускает высокие и низкие частоты, но подавляет фиксированный диапазон между ними.

Также имеются верхняя и нижняя граничные частоты. Если на вход поступают частоты, лежащие между ними, фильтр их отклоняет.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ)

АЧХ демонстрируют поведение фильтра. На диаграме ниже показаны характеристики различных типов фильтров.

Шаблон полосовой формы

Применение фильтров

Фильтры широко применяются в следующих областях:

(Телевизоры)

(Автомобилестроение)

Заключение

Подводя итог: фильтры незаменимы в проектах, требующих чистых сигналов без помех. Разнообразие типов фильтров служит руководством для выбора подходящего устройства под конкретную задачу.

Если у вас остались вопросы по частотным фильтрам, не стесняйтесь обращаться к нам.