High Pass Filter คืออะไร? แผนภาพวงจรลักษณะและการใช้งาน

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





มียุคหนึ่งที่ในขณะที่โทรคุยกันในสถานที่ไกล ๆ คนหนึ่งต้องยื่นปากเข้าใกล้เครื่องส่งสัญญาณมากพูดช้าและดังมากเพื่อให้ได้ยินข้อความชัดเจนจากบุคคลที่อยู่อีกด้านหนึ่ง ทุกวันนี้เรายังสามารถสนทนาทางวิดีโอได้ทั่วโลกด้วยความละเอียดคุณภาพสูง ความลับของการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างมากเช่นนี้อยู่ที่ ไฟฟ้า กรอง ทฤษฎี และ ทฤษฎีสายส่ง . ตัวกรองไฟฟ้าเป็นวงจรที่ส่งผ่านเฉพาะย่านความถี่ที่เลือกในขณะที่ลดความถี่อื่น ๆ ที่ไม่ต้องการ หนึ่งในตัวกรองดังกล่าวคือ ตัวกรองความถี่สูง .

High Pass Filter คืออะไร?

ความหมายของตัวกรองความถี่สูง เป็นตัวกรองที่ส่งผ่านเฉพาะสัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าความถี่คัตออฟจึงลดทอนสัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่า ค่าความถี่คัตออฟขึ้นอยู่กับการออกแบบของตัวกรอง




วงจรกรองความถี่สูง

High Pass Filter พื้นฐานสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของ ตัวเก็บประจุและตัวต้านทาน . ในขณะที่สัญญาณอินพุตถูกนำไปใช้กับ ตัวเก็บประจุ เอาต์พุตจะถูกวาดข้าม ตัวต้านทาน .

วงจรกรองความถี่สูง

วงจรกรองความถี่สูง



ในการจัดเรียงวงจรนี้ตัวเก็บประจุมีรีแอกแตนซ์สูงที่ความถี่ต่ำดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นวงจรเปิดไปยังสัญญาณอินพุตความถี่ต่ำจนกว่าจะถึงความถี่คัตออฟ 'fc' ฟิลเตอร์ลดทอนสัญญาณทั้งหมดที่อยู่ต่ำกว่าระดับความถี่คัตออฟ ที่ความถี่ด้านบนตัดรีแอคแตนซ์ระดับความถี่ของตัวเก็บประจุจะต่ำและทำหน้าที่ลัดวงจรไปยังความถี่เหล่านี้ซึ่งจะทำให้สามารถส่งผ่านไปยังเอาต์พุตได้โดยตรง

Passive RC High Pass Filter

ตัวกรอง High Pass ที่แสดงด้านบนเรียกอีกอย่างว่า ตัวกรอง Passive RC High Pass เนื่องจากวงจรถูกสร้างขึ้นโดยใช้เท่านั้น องค์ประกอบแฝง . ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานภายนอกในการทำงานของตัวกรอง ที่นี่ตัวเก็บประจุเป็นองค์ประกอบปฏิกิริยาและเอาต์พุตจะถูกดึงผ่านตัวต้านทาน

ลักษณะการกรองผ่านสูง

เมื่อเราพูดถึง ความถี่ตัด เราอ้างถึงจุดในไฟล์ การตอบสนองความถี่ของตัวกรอง โดยที่อัตราขยายเท่ากับ 50% ของอัตราขยายสูงสุดของสัญญาณนั่นคือ 3dB ของกำไรสูงสุด ใน High Pass Filter จะได้รับเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น


เส้นโค้งความถี่ตัวกรองความถี่สูง

เส้นโค้งความถี่ตัวกรองความถี่สูง

fc ความถี่คัตออฟนี้ขึ้นอยู่กับค่า R และ C ของวงจร ที่นี่ค่าคงที่ของเวลาτ = RC ความถี่ตัดเป็นสัดส่วนผกผันกับค่าคงที่ของเวลา

ความถี่ตัด = 1 / 2πRC

กำไรของวงจรจะได้รับจาก AV = Vout / Vin

. เช่น. AV = (Vout) / (V ใน) = R / √ (Rสอง+ Xcสอง) = R / Z

ที่ความถี่ต่ำ f: Xc →∞, Vout = 0

ที่ความถี่สูง f: Xc → 0, Vout = Vin

การตอบสนองความถี่ High Pass Filter หรือ High Pass Filter Bode Plot

ในตัวกรองความถี่สูงความถี่ทั้งหมดที่อยู่ต่ำกว่าความถี่คัตออฟ 'fc' จะถูกลดทอน ที่จุดตัดความถี่นี้เราจะได้รับ -3dB และ ณ จุดนี้ค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุและค่าตัวต้านทานจะเท่ากันเช่น R = Xc กำไรคำนวณเป็น

กำไร (dB) = 20 บันทึก (Vout / Vin)

ความชันของเส้นโค้งตัวกรองความถี่สูงคือ +20 d B / ทศวรรษเช่น. หลังจากผ่านระดับความถี่คัตออฟแล้วการตอบสนองเอาต์พุตของวงจรจะเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น Vin ที่อัตรา +20 dB ต่อทศวรรษซึ่งเพิ่มขึ้น 6 dB ต่ออ็อกเทฟ

การตอบสนองความถี่ตัวกรองความถี่สูง

การตอบสนองความถี่ตัวกรองความถี่สูง

พื้นที่จากจุดเริ่มต้นถึงจุดความถี่คัตออฟเรียกว่าแถบหยุดเนื่องจากไม่อนุญาตให้ส่งผ่านความถี่ พื้นที่จากด้านบนของจุดความถี่คัตออฟ นั่นคือจุด -3 dB เรียกว่า พาสแบนด์ . ที่ความถี่คัตออฟแอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้าขาออกจะเท่ากับ 70.7% ของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

ที่นี่ แบนด์วิดท์ของตัวกรอง หมายถึงค่าความถี่ที่สัญญาณอนุญาตให้ส่งผ่าน ตัวอย่างเช่นหากกำหนดแบนด์วิดท์ของตัวกรองความถี่สูงเป็น 50 kHz หมายความว่าอนุญาตให้ส่งผ่านความถี่ตั้งแต่ 50 kHz ถึงอินฟินิตี้เท่านั้น

มุมเฟสของสัญญาณเอาต์พุตคือ +450 ที่ความถี่ตัด สูตรคำนวณการกะระยะของตัวกรองความถี่สูงคือ

∅ = อาร์กแทน⁡ (1 / 2πfRC)

เฟส Shift Curve

เฟส Shift Curve

ในการใช้งานจริงการตอบสนองเอาต์พุตของตัวกรองจะไม่ขยายไปถึงอินฟินิตี้ คุณลักษณะทางไฟฟ้าขององค์ประกอบตัวกรองใช้ข้อ จำกัด ในการตอบสนองของตัวกรอง ด้วยการเลือกส่วนประกอบตัวกรองที่เหมาะสมเราสามารถปรับช่วงความถี่ที่จะลดทอนช่วงที่จะส่งผ่าน ฯลฯ ...

High Pass Filter โดยใช้ Op-Amp

ในตัวกรองความถี่สูงนี้พร้อมกับองค์ประกอบตัวกรองแบบพาสซีฟเราเพิ่ม Op-amp ไปยังวงจร แทนที่จะได้รับการตอบสนองเอาต์พุตที่ไม่มีที่สิ้นสุดที่นี่การตอบสนองเอาต์พุตจะถูก จำกัด โดยลูปเปิด ลักษณะของ Op-amp . ดังนั้นตัวกรองนี้จึงทำหน้าที่เป็นไฟล์ ตัวกรองแบนด์พาส ด้วยความถี่ตัดซึ่งกำหนดโดยแบนด์วิดท์และลักษณะการได้รับของ Op-amp

High Pass Filter โดยใช้ Op-Amp

High Pass Filter โดยใช้ Op-Amp

การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบวงเปิดของ Op-amp ทำหน้าที่ จำกัด แบนด์วิดท์ของ เครื่องขยายเสียง . อัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์จะลดลงเหลือ 0 dB เมื่อความถี่อินพุตเพิ่มขึ้น การตอบสนองของวงจรคล้ายกับ passive high pass filter แต่ที่นี่อัตราขยายของ Op-amp จะขยายแอมพลิจูดของสัญญาณเอาต์พุต

กำไรของตัวกรอง การใช้ Op-amp แบบไม่กลับด้านนั้นกำหนดโดย:

AV = Vout / Vin = (ปิด (f / fc)) / √ (1+ (f / fc) ^ 2)

โดยที่ Af คืออัตราขยายความถี่ของตัวกรอง = 1+ (R2) / R1

f คือความถี่ของสัญญาณอินพุตเป็น Hz

fc คือความถี่ที่ถูกตัดออก

เมื่อความอดทนต่ำ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ใช้ตัวกรอง High Pass Active เหล่านี้ให้ความแม่นยำและประสิทธิภาพที่ดี

ตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่

High Pass Filter โดยใช้ Op-amp เป็นที่รู้จักกันในชื่อไฟล์ ตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่ เนื่องจากพร้อมกับตัวเก็บประจุแบบพาสซีฟและตัวต้านทานซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ ใช้ Op-amp ในวงจร . การใช้องค์ประกอบที่ใช้งานอยู่นี้เราสามารถควบคุมความถี่คัตออฟและช่วงตอบสนองเอาต์พุตของฟิลเตอร์

ลำดับที่สอง High Pass Filter

วงจรตัวกรองที่เราเห็นจนถึงตอนนี้ถือเป็นตัวกรองความถี่สูงลำดับแรก ในตัวกรองความถี่สูงลำดับที่สองจะมีการเพิ่มบล็อกเครือข่าย RC เพิ่มเติมในไฟล์ ลำดับแรกตัวกรองความถี่สูง ที่เส้นทางอินพุต

ลำดับที่สอง High Pass Filter

การตอบสนองความถี่ของตัวกรองความถี่สูงลำดับที่สอง คล้ายกับตัวกรองความถี่สูงลำดับแรก แต่ในลำดับที่สองแถบหยุดตัวกรองความถี่สูงจะเป็นสองเท่าของตัวกรองลำดับแรกที่ 40dB / ทศวรรษ ตัวกรองลำดับที่สูงขึ้นสามารถเกิดขึ้นได้โดยการเรียงซ้อนตัวกรองลำดับที่หนึ่งและลำดับที่สอง แม้ว่าจะไม่มีการ จำกัด ลำดับ แต่ขนาดของตัวกรองจะเพิ่มขึ้นตามลำดับและความแม่นยำจะลดลง หากอยู่ในลำดับที่สูงกว่าตัวกรอง R1 = R2 = R3 ฯลฯ ... และ C1 = C2 = C3 = ฯลฯ ... ความถี่คัตออฟจะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงลำดับของตัวกรอง

ลำดับที่สอง High Pass Filter

ลำดับที่สอง High Pass Filter

ความถี่คัตออฟของตัวกรอง High Pass Active ลำดับที่สองสามารถกำหนดเป็น

เอฟซี = 1 / (2π√ (R3 R4 C1 C2))

ฟังก์ชั่นการถ่ายโอนตัวกรองความถี่สูง

เนื่องจากอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงบ่อยตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์จึงมีการตอบสนองขึ้นอยู่กับความถี่

อิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนของตัวเก็บประจุถูกกำหนดเป็น Zc = 1 / sC

โดยที่ s = σ + jω, ωคือความถี่เชิงมุมในหน่วยเรเดียนต่อวินาที

ฟังก์ชันการถ่ายโอนของวงจรสามารถพบได้โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์วงจรมาตรฐานเช่น กฎของโอห์ม , กฎหมายของ Kirchhoff , การซ้อนทับ เป็นต้นรูปแบบพื้นฐานของฟังก์ชันการถ่ายโอนจะได้รับจากสมการ

H (s) = (am s ^ m + a (m-1) s ^ (m-1) + ⋯ + a0) / (bn s ^ n + b (n-1) s ^ (n-1) + ⋯ + b0)

ลำดับของตัวกรอง เป็นที่รู้จักโดยระดับของตัวส่วน เสาและศูนย์ ของวงจรถูกแยกออกโดยการแก้รากของสมการ ฟังก์ชันอาจมีรากจริงหรือซับซ้อน วิธีที่รากเหล่านี้ถูกพล็อตบนระนาบโดยที่σแสดงโดยแกนนอนและωแสดงด้วยแกนแนวตั้งแสดงให้เห็นข้อมูลมากมายเกี่ยวกับวงจร สำหรับตัวกรองความถี่สูงศูนย์จะอยู่ที่จุดกำเนิด

H (jω) = Vout / Vin = (-Z2 (jω)) / (Z1 (jω))

= - R2 / (R1 + 1 / jωC)

= -R2 / R1 (1 / (1+ 1 / (jωR1 C))

ที่นี่ H (∞) = R2 / R1 ได้รับเมื่อω→∞

τ = R1 C และωc = 1 / (τ) เช่น. ωc = 1 / (R1C) คือความถี่ตัด

ดังนั้นฟังก์ชันการถ่ายโอนของตัวกรองความถี่สูงจึงถูกกำหนดโดย H (jω) = - H (∞) (1 / (1+ 1 / jωτ))

= - H (∞) (1 / (1- (jωc) / ω))

เมื่อความถี่อินพุตต่ำ Z1 (jω) จึงมีขนาดใหญ่ดังนั้นการตอบสนองของเอาต์พุตจึงต่ำ

H (jω) = (- H (∞)) / √ (1+ (ωc / ω) ^ 2) = 0 เมื่อω = 0 H (∞) / √2เมื่อω = ω_c

และ H (∞) เมื่อω = ∞ เครื่องหมายลบแสดงถึงการเปลี่ยนเฟส

เมื่อ R1 = R2, s = jωและ H (0) = 1

ดังนั้นฟังก์ชันการถ่ายโอนของ High Pass Filter H (jω) = jω / (jω + ω_c)

บัตเตอร์คุ้มค่า High Pass Filter

นอกจากการปฏิเสธความถี่ที่ไม่ต้องการแล้วฟิลเตอร์ที่ดีควรมีความไวสม่ำเสมอสำหรับความถี่ที่ต้องการ ตัวกรองในอุดมคติดังกล่าวไม่สามารถใช้งานได้จริง แต่สตีเฟนบัตเตอร์มูลค่าในเอกสารของเขา“ เกี่ยวกับทฤษฎีแอมพลิฟายเออร์ตัวกรอง” แสดงให้เห็นว่าฟิลเตอร์ประเภทนี้สามารถทำได้โดยการเพิ่มจำนวนองค์ประกอบตัวกรองที่มีขนาดเหมาะสม

ไส้กรองเนย ได้รับการออกแบบในลักษณะที่ให้การตอบสนองความถี่แบบแบนใน passband ของตัวกรองและลดลงเป็นศูนย์ในแถบหยุด ต้นแบบพื้นฐานของ ไส้กรองเนย คือ การออกแบบ low pass แต่ด้วยการปรับเปลี่ยน high pass และ ตัวกรองวงดนตรี สามารถออกแบบได้

ดังที่เราได้เห็นข้างต้นสำหรับการได้รับหน่วยกรองความถี่สูงลำดับแรกคือ H (jω) = jω / (jω + ω_c)

สำหรับ n ตัวกรองดังกล่าวในชุด H (jω) = (jω / (jω + ω_c)) ^ n ซึ่งเมื่อแก้เท่ากับ

'n' ควบคุมลำดับของการเปลี่ยนระหว่างวงผ่านและแถบหยุด ดังนั้นลำดับที่สูงขึ้นการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วดังนั้นที่ n = ∞ Butter worth filter จะกลายเป็น High Pass Filter ในอุดมคติ

ในระหว่างการใช้งานตัวกรองนี้เพื่อความเรียบง่ายเราพิจารณาωc = 1 และแก้ฟังก์ชันการถ่ายโอน

สำหรับ s = jω. เช่น H (s) = s / (s + ωc) = s / (s + 1) สำหรับการสั่งซื้อ 1:

H (s) = s ^ 2 / (s ^ 2 + ∆ωs + (ωc ^ 2) สำหรับการสั่งซื้อ 2

ดังนั้นฟังก์ชันการถ่ายโอนของน้ำตกใน High Pass Filter คือ

Bode Plot of Butter มูลค่า High Pass Filter

Bode Plot of Butter มูลค่า High Pass Filter

การใช้งาน High Pass Filter

แอปพลิเคชันตัวกรองความถี่สูงส่วนใหญ่มีดังต่อไปนี้

  • ตัวกรองเหล่านี้ใช้ในลำโพงสำหรับการขยายเสียง
  • ตัวกรองความถี่สูงใช้เพื่อลบเสียงที่ไม่ต้องการที่อยู่ใกล้กับช่วงล่างสุดของช่วงเสียง
  • เพื่อป้องกันการขยายของ กระแสไฟฟ้ากระแสตรง ที่อาจเป็นอันตรายต่อแอมพลิฟายเออร์ตัวกรองความถี่สูงใช้สำหรับ AC-coupling
  • ตัวกรองความถี่สูงใน การประมวลผลภาพ : ใช้ฟิลเตอร์ความถี่สูงในการประมวลผลภาพเพื่อทำให้รายละเอียดคมชัดขึ้น การใช้ฟิลเตอร์เหล่านี้กับรูปภาพทำให้เราสามารถเพิ่มรายละเอียดเล็ก ๆ น้อย ๆ ในภาพได้ แต่การหักโหมเกินไปอาจทำให้ภาพเสียหายได้เนื่องจากฟิลเตอร์เหล่านี้จะขยายสัญญาณรบกวนในภาพ

ยังคงมีการพัฒนามากมายในการออกแบบตัวกรองเหล่านี้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มั่นคงและสมบูรณ์แบบ อุปกรณ์ง่ายๆเหล่านี้มีบทบาทสำคัญใน ต่างๆ ระบบควบคุม , ระบบอัตโนมัติ, การประมวลผลภาพและเสียง แอปพลิเคชันใดของ ตัวกรองความถี่สูง เจอมั้ย?