Фильтрация — это способ «очистки» электрических сигналов от нежелательных частотных составляющих. В электронике часто используют резисторно-конденсаторные (RC) фильтры, чтобы пропускать только низкие частоты, блокируя высокие, и таким образом создавать так называемые фильтры нижних частот. Эти фильтры широко применяются в аудиотехнике, телекоммуникациях, цифровой обработке сигналов и многих других областях.
Временная и частотная область
Электрические сигналы можно описать в двух формах: временной и частотной областях. Временная область, часто наблюдаемая с помощью осциллографа, показывает, как напряжение изменяется во времени. Однако частотный анализ позволяет выделить отдельные частоты, составляющие сложный сигнал, и понять его спектральное содержание. Это помогает разделить полезные и нежелательные частотные компоненты сигнала.
Принцип работы фильтра
Фильтр — это электронная схема, которая пропускает или блокирует определённые частоты. Например, фильтр нижних частот позволяет пройти низким частотам, подавляя высокие. Такие фильтры делятся на несколько категорий, включая фильтры верхних частот, полосовые фильтры (пропускают узкий диапазон частот) и режекторные фильтры (блокируют узкий диапазон частот).
RC-фильтр нижних частот
Простейшая схема пассивного RC-фильтра нижних частот состоит из резистора и конденсатора. Резистор подключают последовательно с сигналом, а конденсатор — параллельно нагрузке. Такая схема работает на принципе частотно-зависимого делителя напряжения, где низкочастотные сигналы проходят к нагрузке, а высокочастотные блокируются.
Когда частота сигнала низкая, сопротивление конденсатора (импеданс) велико по сравнению с резистором, и сигнал проходит к нагрузке. При увеличении частоты импеданс конденсатора снижается, большая часть сигнала падает на резистор, и сигнал на нагрузке уменьшается.
Пороговая частота
Пороговая частота (или частота среза) определяет границу, на которой фильтр переходит от пропускания к блокировке частот. Для RC-фильтра она определяется тем, что на этой частоте амплитуда сигнала снижается на 3 дБ (что соответствует уменьшению мощности сигнала вдвое).
График частотной характеристики
Частотную характеристику фильтра удобно представлять в виде графика, где по вертикальной оси отложены значения в дБ (децибелы), а по горизонтальной — частота сигнала в логарифмическом масштабе. Такой график показывает, как изменяется выходная амплитуда в зависимости от частоты входного сигнала. В области низких частот выходная амплитуда остаётся почти постоянной, а затем начинает уменьшаться по мере приближения частоты сигнала к частоте среза.
Фильтр второго порядка
Если требуется более резкий переход от пропускания к блокировке, используют фильтры второго порядка. Такие фильтры обеспечивают более быстрый спад сигнала (на 40 дБ на декаду вместо 20 дБ), что полезно, когда нужно чётче отделить полезные и нежелательные частотные компоненты. Один из способов создания фильтра второго порядка — каскадное соединение двух однотипных RC-фильтров первого порядка.
Сдвиг фазы
Помимо изменения амплитуды, RC-фильтры также вносят фазовый сдвиг в сигнал. Это означает, что фазы входного и выходного сигналов не совпадают. В фильтрах RC-фильтры обеспечивают постепенное увеличение фазового сдвига по мере роста частоты и достигают значения 90° на высоких частотах.
Заключение
Фильтрация — важная составляющая обработки сигналов, поскольку позволяет отделить полезные компоненты от помех. RC-фильтры нижних частот просты в конструкции и широко применяются для подавления высокочастотного шума.
Обеспечьте себе и своим близким комфорт и безопасность, посетите наш интернет-магазин измерительного оборудования pribor-x.ru! Наши специалисты всегда готовы помочь вам с выбором и ответить на все ваши вопросы.
Свяжитесь с нами по почте sales@pribor-x.ru или по телефону 8-800-777-24-67.