Low frequency cutoff как настроить

Как выбрать частоту среза вашего фильтра нижних частот

В этой статье приведены некоторые советы о том, как точно настроить характеристики фильтра нижних частот.

Связанная информация

• Фокусировка на фазе: всплывающий фильтр
• Inductor Out, Op-Amp In: Введение в активные фильтры второго порядка
• Понимание линейно-фазных фильтров

По моему опыту, наиболее распространенные задачи проектирования фильтров, т. Е. Когда вам действительно нужно выполнить некоторую математику, выберите значения компонентов и рассмотрите различные топологии — включите низкочастотный ответ. Электрические инженеры часто сталкиваются с сигналами, которые имеют низкочастотную информацию и высокочастотный шум или помехи. Возможно, нам нужно подавить неприятные звуки в звуковом сигнале или удалить побочные колебания от сигнала датчика или устранить нежелательный спектр, созданный во время процесса демодуляции. И тогда есть фильтры сглаживания, которые помогают поддерживать качество наших оцифрованных данных, даже если мы могли в противном случае игнорировать высокочастотный контент сигнала.

Выбор частоты среза фильтра нижних частот изначально кажется довольно простым, но когда вы думаете об этом более тщательно — например, когда реальный дизайн заставляет вас думать об этом более тщательно — вы понимаете, что на самом деле есть некоторые тонкие детали и сложности.

Первые вещи: что такое частота среза «хорошие» частоты и «плохие» частоты. Фильтры нижних частот всегда плавно переходят из полосы пропускания в полосу пропускания. Кроме того, нет ничего волшебного в отношении частоты отсечки, которая более точно упоминается как частота -3 дБ, т. Е. Частота, с которой амплитудный отклик на 3 дБ ниже, чем значение при 0 Гц.

Мне кажется, что это основная причина осложнений, связанных с дизайном фильтров нижних частот — трудно выбрать правильную частоту среза, поскольку буквальное значение этого термина относится к тому, чего не существует в реальной схеме схемы, а именно, точную точку, в которой фильтр «отсекает» нежелательные частоты, оставляя желаемые частоты нетронутыми. Тем не менее, более фундаментальная часть задачи проектирования полностью понимает сигналы, которые войдут в фильтр, и сигналы, которые должны выйти из фильтра.

Входы и выходы

Чтобы оптимизировать фильтр нижних частот, вы должны знать как можно больше о ожидаемом частотном содержании вашего ввода и желаемом частотном содержании вашего вывода.

Если вы планируете использовать фильтр первого порядка, частотная характеристика всегда будет иметь одни и те же основные характеристики, и, следовательно, для меня есть только два общих сценария:

Фокусировка на полосе пропускания

В этой первой ситуации есть частоты к концу полосы пропускания, которые не могут испытывать значительного внимания. Например, вы знаете, что все ваши сигналы будут ниже 10 кГц, но у вас есть важный выход датчика, который имеет тенденцию оставаться около 7, 5 кГц. Возможно, вам не нужна частота среза 10 кГц, потому что это приведет к ослаблению почти 2 дБ сигнала 7, 5 кГц:

В этом случае было бы лучше увеличить частоту среза до 7, 5 кГц ближе к почти плоскому участку полосы пропускания. Например, если вы нажмете отсечку до 20 кГц, затухание на 7, 5 кГц составляет менее 0, 6 дБ:

Дальнейшее увеличение частоты среза приведет к соответствующим сокращениям затухания 7, 5 кГц, но, как обычно, существуют компромиссы. Увеличивая обрезание, вы включаете более ненужные (и, возможно, шумные) частоты в полосе пропускания, и уменьшаете затухание частот в полосе задержки. (В этом контексте «стоп-сигнал» является неопределенным термином — я использую его для обозначения частот, которые испытывают значительное ослабление, скажем, не менее 20 дБ).

Фокусировка на полосе пропускания

Второй сценарий заключается в том, что приоритетом является подавление определенной частоты в полосе задержек, а не сохранение определенной частоты в полосе пропускания. Например, у вас может быть сигнал синхронизации или радиочастотный передатчик, который загрязняет ваш хрупкий аналоговый сигнал. Вы полагаетесь на фильтр нижних частот для подавления этих помех (вы не используете фильтр надреза, потому что вам также требуется типичное широкополосное шумоподавление).

В пределах ограничений фильтра первого порядка все, что вы можете сделать для увеличения затухания на определенной частоте, — это перемещение обрезания ближе к 0 Гц. Если вы не можете полностью затушить сильный мешающий сигнал и адекватно сохранить амплитуду сигналов в полосе пропускания, пришло время подумать о фильтре второго порядка.

Вариант второго порядка

Это экспансивная тема, и мы только собираемся скрыть поверхность здесь. В этой статье важно понять, что фильтры второго порядка более податливы. Фильтр второго порядка может быть отрегулирован таким образом, чтобы обеспечить более плоскую полосу пропускания (фильтр Баттерворта), более крутой свалку (фильтр Чебышева) или более линейную фазовую характеристику (фильтр Бесселя). Следующие три сюжета обеспечивают визуальное сравнение ответов Баттерворта, Чебышева и Бесселя.

Сгенерировано с помощью Analog Devices ‘Analog Filter Wizard.

Сгенерировано с помощью Analog Devices ‘Analog Filter Wizard.

Сгенерировано с помощью Analog Devices ‘Analog Filter Wizard.

Связь между частотой среза и характеристиками фильтров второго порядка заключается в следующем: на ваш выбор частоты среза может влиять тип используемого фильтра.

Допустим, у вас строгие требования к подавлению сигнала с более высокой частотой. Если вы используете фильтр Чебышева, который имеет быстрый переход от полосы пропускания к полосе пропускания, вам, возможно, не придется уменьшать частоту среза так сильно, как вы изначально думали. Если ваша основная проблема заключается в сохранении амплитуды частоты где-то в полосе пропускания, фильтр плоской полосы пропускания фильтра Баттерворта дает вам большую гибкость в определении частоты среза.

Резюме

Выбор частоты среза начинается с неопределенного представления о том, какие частоты должны проходить через фильтр и который должен быть заблокирован фильтром. После этого вы должны рассмотреть детали перехода фильтра от низкого затухания до высокого затухания, а также частотное содержание входных сигналов и цели обработки сигналов, которые, как ожидается, будут выполнять фильтр.

Источник