ο φίλτρο διέλευσης ζώνης επιτρέπει στα σήματα να τροφοδοτούν μεταξύ δύο συγκεκριμένων συχνοτήτων, παρόλο που διαχωρίζει αυτά τα σήματα σε άλλες συχνότητες. Αυτοί οι τύποι φίλτρων ζώνης διατίθενται σε διάφορους τύπους. Μερικά από τα φίλτρα διέλευσης ζώνης είναι κατασκευασμένα με εξωτερική τροφοδοσία και ενεργά εξαρτήματα όπως: τρανζίστορ και ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα οποία ονομάζονται ενεργό BPF. Ομοίως, ορισμένα φίλτρα χρησιμοποιούν οποιαδήποτε πηγή ενέργειας και παθητικά εξαρτήματα, όπως επαγωγείς και πυκνωτές, που ονομάζονται παθητικό BPF. Αυτά τα φίλτρα είναι εφαρμόσιμα σε ασύρματους πομπούς και δέκτες.
Ένα BPF σε έναν πομπό χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του εύρους ζώνης του σήματος εξόδου στο λιγότερο απαιτούμενο επίπεδο και τη μετάδοση δεδομένων με την ιδανική ταχύτητα και μορφή. Ομοίως, αυτό το φίλτρο σε έναν δέκτη επιτρέπει την αποκωδικοποίηση των σημάτων εντός ενός προτιμώμενου επιπέδου συχνότητας, ενώ δεν υπάρχουν σήματα σε περιττές συχνότητες. Η αναλογία S/N ενός δέκτη βελτιστοποιείται μέσω ενός φίλτρου διέλευσης ζώνης. Αυτό το άρθρο παρέχει σύντομες πληροφορίες για ένα ενεργό ζωνοπερατό φίλτρο .
Τι είναι το φίλτρο Active Band Pass;
Ένας τύπος φίλτρου ζώνης που χρησιμοποιεί ενεργά στοιχεία όπως ένα τελεστικος ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ , μαζί με αντιστάσεις και πυκνωτές που σχηματίζουν το φίλτρο είναι γνωστό ως ενεργό ζωνοπερατό φίλτρο. Αυτά τα φίλτρα διέλευσης ζώνης ενισχύουν το σήμα εισόδου εκτός από το φιλτράρισμα, αν και χρειάζονται μια εξωτερική πηγή ενέργειας.
Αυτό το ζωνοπερατό φίλτρο έχει σχεδιαστεί με διαδοχικά ένα HPF, έναν ενισχυτή και ένα LPF όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το κύκλωμα ενισχυτή ανάμεσα στο HPF και το LPF παρέχει απομόνωση και παρέχει συνολικό κέρδος τάσης. Οι τιμές συχνότητας αποκοπής και των δύο φίλτρων θα πρέπει να διατηρούνται με ελάχιστη διακύμανση. Εάν αυτή η διακύμανση είναι εξαιρετικά μικρή, τότε υπάρχει πιθανότητα αλληλεπίδρασης μεταξύ των σταδίων low pass & high pass. Επομένως, απαιτείται ένα κύκλωμα ενίσχυσης. να έχουν τα σωστά επίπεδα αυτών των συχνοτήτων αποκοπής.
Αρχή εργασίας Active Band Pass Filter
Το ενεργό φίλτρο διέλευσης ζώνης λειτουργεί μειώνοντας τις συχνότητες πάνω ή κάτω από ένα εύρος συχνοτήτων (δηλαδή, ζώνη διέλευσης ή το εύρος ζώνης του φίλτρου). Οποιοδήποτε σήμα με συχνότητα σε αυτό το εύρος διέλευσης ζώνης περνά απλώς μέσα από το φίλτρο. Οποιαδήποτε συχνότητα που βρίσκεται εκτός της διέλευσης ζώνης μειώνεται ή εξασθενεί.
Σχεδίαση φίλτρου Active Band Pass
Το ενεργό κύκλωμα φίλτρου διέλευσης ζώνης φαίνεται παρακάτω. Αυτό το κύκλωμα μπορεί να σχεδιαστεί με διαδοχικά μεμονωμένα παθητικά φίλτρα χαμηλής διέλευσης και υψηλής διέλευσης μαζί. Παρέχει ένα φίλτρο χαμηλού τύπου «Ποιότητας» που περιέχει μια ευρεία ζώνη διέλευσης. Το κύριο στάδιο του ενεργού φίλτρου διέλευσης ζώνης είναι το στάδιο υψηλής διέλευσης που χρησιμοποιεί τον πυκνωτή για να μπλοκάρει οποιαδήποτε πόλωση DC από την κύρια πηγή.
Αυτός ο σχεδιασμός κυκλώματος έχει το πλεονέκτημα της δημιουργίας μιας αρκετά επίπεδης απόκρισης συχνότητας ασύμμετρης ζώνης διέλευσης μέσω ενός μόνο μισού που σημαίνει την απόκριση χαμηλού περάσματος ενώ το υπόλοιπο μισό σημαίνει απόκριση υψηλής διέλευσης.
Το υψηλότερο γωνιακό σημείο «ƒH» και το χαμηλότερο σημείο αποκοπής συχνότητας γωνίας «ƒL» υπολογίζονται όπως πριν στα κανονικά κυκλώματα LPF και HPF πρώτης τάξης.
Είναι απαραίτητος ένας εύλογος διαχωρισμός μεταξύ των δύο σημείων αποκοπής για να αποφευχθεί οποιαδήποτε αλληλεπίδραση μεταξύ των σταδίων LPF και HPF. Ο ενισχυτής βοηθά στην παροχή απομόνωσης μεταξύ των δύο σταδίων φίλτρου για να περιγράψει το συνολικό κέρδος τάσης του κυκλώματος φίλτρου. Επομένως, το εύρος ζώνης του φίλτρου είναι η διαφορά μεταξύ υψηλότερων και χαμηλότερων σημείων -3dB. Η κανονικοποιημένη απόκριση συχνότητας και η μετατόπιση φάσης ενός ενεργού BPF θα είναι ως εξής.
Απόκριση συχνότητας
Όταν το παραπάνω κύκλωμα φίλτρου με παθητικό συντονισμό λειτουργεί ως BPF, τότε το εύρος ζώνης μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο. Αυτό μπορεί να είναι πρόβλημα εάν θέλουμε να διαχωρίσουμε τις συχνότητες με μια μικρή ζώνη. Το ενεργό bandpass φίλτρο μπορεί επίσης να σχεδιαστεί με αναστροφή op-amp.
Έτσι, αναδιοργανώνοντας τις θέσεις των αντιστάσεων και των πυκνωτών στο φίλτρο, μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα πολύ καλύτερο κύκλωμα φίλτρου. Το χαμηλότερο σημείο αποκοπής -3dB καθορίζεται από το «ƒC1» για ένα ενεργό BPF ενώ το υψηλότερο σημείο αποκοπής -3dB καθορίζεται από το «ƒC2».
Το παραπάνω φίλτρο έχει δύο κεντρικές συχνότητες HPF και LPF. ο φίλτρο υψηλής διέλευσης Η κεντρική συχνότητα πρέπει να είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με την κεντρική συχνότητα του LPF.
Η κεντρική συχνότητα του BPF είναι ο γεωμετρικός μέσος όρος των ανώτερων και κατώτερων συχνοτήτων αποκοπής όπως π.χ. fr2 = fH x fL.
Το κέρδος του ενεργού BPF είναι 20 log (Vout/Vin) dB/Decade.
Η απόκριση πλάτους σχετίζεται με τις αποκρίσεις LPF και HPF. Η καμπύλη απόκρισης εξαρτάται κυρίως από τη σειρά του διαδοχικού φίλτρου.
Συντελεστής Q
Το συνολικό πλάτος της πραγματικής ζώνης διέλευσης μεταξύ των άνω και κάτω γωνιακών σημείων -3dB του ενεργού φίλτρου διέλευσης καθορίζει τον παράγοντα Q του κυκλώματος. Η τιμή του συντελεστή Q είναι μικρότερη, όταν το εύρος ζώνης του φίλτρου είναι μεγαλύτερο. Ως αποτέλεσμα, ο παράγοντας Q είναι υψηλότερος και το φίλτρο είναι στενότερο.
Μερικές φορές, ο παράγοντας Q του ενεργού φίλτρου διέλευσης ζώνης συμβολίζεται με το ελληνικό σύμβολο «α» και ονομάζεται συχνότητα άλφα κορυφής.
α = 1/Q
Καθώς το «Q» ενός ενεργού BPF σχετίζεται με την «ευκρίνεια» της απόκρισης του φίλτρου γύρω από το «ƒr» του (κεντρική συχνότητα συντονισμού), τότε μπορεί επίσης να είναι γνωστό ως Συντελεστής Απόσβεσης (ή) Συντελεστής Απόσβεσης επειδή το φίλτρο έχει μεγαλύτερη απόσβεση τότε το φίλτρο έχει πιο επίπεδη απόκριση. Το φίλτρο έχει λιγότερη απόσβεση, η απόκριση του φίλτρου είναι πιο έντονη.
Ο λόγος απόσβεσης υποδεικνύεται με το ελληνικό σύμβολο «ξ»
ξ = α/2
Ο παράγοντας ποιότητας ενός ενεργού φίλτρου διέλευσης ζώνης είναι ο λόγος του ƒr (Συχνότητα συντονισμού) προς το BW (εύρος ζώνης) μεταξύ των υψηλότερων και χαμηλότερων συχνοτήτων -3dB.
Τύποι φίλτρων Active Band Pass
Υπάρχουν δύο τύποι ενεργών φίλτρων διέλευσης ζώνης. φίλτρο διέλευσης ευρείας ζώνης και φίλτρο στενής ζώνης διέλευσης που αναλύονται παρακάτω.
Φίλτρο διέλευσης ευρείας ζώνης
Εάν η τιμή του παράγοντα ποιότητας (Q) είναι κάτω από το δέκα, η ζώνη διέλευσης είναι ευρεία και τότε μας δίνει το μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Επομένως, αυτό το BPF είναι γνωστό ως φίλτρο διέλευσης ευρείας ζώνης. Σε ένα φίλτρο ευρείας ζώνης διέλευσης, η υψηλή συχνότητα αποκοπής πρέπει να είναι μεγαλύτερη σε σύγκριση με τη χαμηλότερη συχνότητα αποκοπής.
Πρώτον, το σήμα περνά μέσα από το HPF, το σήμα εξόδου αυτού του αρχειοθέτη θα τείνει στο άπειρο το οποίο δίνεται στο LPF στο τέλος. Αυτό το LPF θα περάσει χαμηλοπερατό το σήμα υψηλότερης συχνότητας.
Κάθε φορά που το HPF εναλλάσσεται μέσω LPF, τότε μπορεί να ληφθεί το απλό BPF. Για να κατανοήσετε αυτό το φίλτρο, η σειρά των κυκλωμάτων LPF και HPF θα πρέπει να είναι παρόμοια.
Το Cascading one first-order LPF and HPF μας παρέχει το BPF δεύτερης τάξης. Με τη διαδοχή δύο LPF πρώτης τάξης με δύο HPF σχηματίζουν ένα BPF τέταρτης τάξης.
Λόγω αυτής της κλιμάκωσης, το κύκλωμα δίνει μια τιμή παράγοντα χαμηλής ποιότητας. Ο πυκνωτής εντός του HPF πρώτης τάξης αποκλείει οποιαδήποτε πόλωση DC από το σήμα i/p.
Και στις δύο ζώνες διακοπής, η απολαβή είναι ± 20 dB ανά δεκαετία στη θήκη φίλτρου δεύτερης τάξης. Το LPF και το HPF πρέπει να είναι μόνο σε πρώτη σειρά.
Ομοίως, όποτε τα δύο φίλτρα βρίσκονται στη δεύτερη σειρά, το κέρδος roll-off και στις δύο ζώνες διακοπής είναι περίπου ± 40dB/Δεκαετία.
Εκφραση:
Η έκφραση για το κέρδος τάσης φίλτρου ζώνης δίνεται ως εξής:
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
Επιτυγχάνεται από τα μεμονωμένα κέρδη τόσο του LPF όσο και του HPF, επομένως και τα δύο κέρδη του φίλτρου δίνονται ως:
Απολαβή τάσης για HPF
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
Απολαβή τάσης για LPF
Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
Amax = Amax1 * Amax2
Όπου «Amax1» είναι το κέρδος του σταδίου HPF & «Amax2; είναι το κέρδος του σταδίου LPF.
Η απόκριση του φίλτρου ευρείας ζώνης φαίνεται παρακάτω.
Φίλτρο περασμάτων στενής ζώνης
Εάν η τιμή του παράγοντα ποιότητας είναι μεγαλύτερη από δέκα, η ζώνη διέλευσης θα είναι στενή και το εύρος ζώνης πρόσβασης είναι επίσης μικρότερο. Επομένως, αυτό το φίλτρο είναι γνωστό ως φίλτρο στενής ζώνης διέλευσης.
Αυτό το φίλτρο χρησιμοποιεί μόνο ένα ενεργό στοιχείο όπως op-amp αντί για δύο. Ο ενισχυτής ενεργοποίησης που χρησιμοποιείται σε αυτό το κύκλωμα είναι σε διάταξη αναστροφής. Το κέρδος op-amp σε αυτό το φίλτρο είναι μέγιστο στην κεντρική συχνότητα «fc».
Το κύκλωμα φίλτρου στενής διέλευσης ζώνης φαίνεται παρακάτω. Η είσοδος παρέχεται στον ακροδέκτη εισόδου αναστροφής του οπ-ενισχυτή, τότε ο ενισχυτής ενεργοποίησης είναι γνωστός ως στη διαμόρφωση αναστροφής. Αυτό το στενό κύκλωμα BPF δίνει μια στενή απόκριση BPF.
Το κέρδος τάσης αυτού του κυκλώματος φίλτρου είναι AV = – R2 / R1
Οι συχνότητες αποκοπής αυτού του κυκλώματος φίλτρου είναι:
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
ο πλεονεκτήματα ενός ενεργού φίλτρου διέλευσης ζώνης περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.
- Αυτό το φίλτρο βοηθά στην αποστολή ή μετάδοση ενός σήματος προτιμώμενης περιοχής συχνοτήτων, επομένως βοηθά στην εξοικονόμηση ενέργειας.
- Αυτό το φίλτρο διέλευσης ζώνης βοηθά στο φιλτράρισμα σημάτων μεταξύ δύο περιοχών συχνοτήτων.
Τα μειονεκτήματα των ενεργών φίλτρων ζώνης διέλευσης περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.
- Ένα ενεργό φίλτρο ζώνης επιτρέπει τη διέλευση μόνο ενός προτιμώμενου εύρους συχνοτήτων.
- Μπορεί να είναι υπερβολικά περιοριστικά, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιούνται με στενό εύρος ζώνης. Έτσι, αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια σημαντικού περιεχομένου συχνότητας για να κάνει τον ήχο να αισθάνεται κούφιος ή λεπτός.
- Αυτά τα φίλτρα είναι ακριβά.
- Αυτά τα φίλτρα έχουν ένα πολύπλοκο σύστημα ελέγχου.
- Έχουν περιορισμένο εύρος συχνοτήτων.
Εφαρμογές
Οι εφαρμογές των ενεργών φίλτρων ζώνης περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.
- Το ενεργό φίλτρο ζώνης χρησιμοποιείται σε πολλές οπτικές εφαρμογές όπως π. δορυφορικές επικοινωνίες, τηλεπικοινωνίες & μεταφορά δεδομένων σε διαμόρφωση φωτός.
- Αυτά τα φίλτρα χρησιμοποιούνται σε εξοπλισμό ήχου για την απομόνωση συχνοτήτων που βρίσκονται στο ηχητικό εύρος από 20 Hz έως 20 kHz.
- Το Active BPF χρησιμοποιείται σε συστήματα ασύρματης επικοινωνίας για να φιλτράρει ανεπιθύμητα σήματα και θόρυβο για να βελτιώσει την αριστεία της επικοινωνίας.
- Αυτά τα φίλτρα χρησιμοποιούνται στον συντονισμό και το κλείδωμα της λειτουργίας υψηλής ταχύτητας των λέιζερ δακτυλίου EDF.
- Αυτός ο τύπος BPF χρησιμοποιείται για την ισοπέδωση του φάσματος o/p των πηγών υπερφθορισμού EDF.
- Αυτό το φίλτρο χρησιμοποιείται στον πομπό σήματος και στον δέκτη σήματος σε ένα σύστημα ασύρματης επικοινωνίας.
- Αυτά χρησιμοποιούνται σε τρέχοντα συστήματα ήχου όπως το στερεοφωνικό σύστημα, τα συστήματα κατανεμημένων ηχείων, το σύστημα μουσικής Dolby κ.λπ.
- Αυτός ο τύπος φίλτρου χρησιμοποιείται για έλεγχο συχνότητας σε κυκλώματα ισοσταθμιστή ήχου, LASER, LIDAR Συστήματα επικοινωνίας & SONAR.
- Αυτό χρησιμοποιείται σε ιατρικές συσκευές όπως το ΗΚΓ και στη νευροεπιστήμη για τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων.
Πού χρησιμοποιείται το φίλτρο Active Band Pass;
Το ενεργό φίλτρο διέλευσης ζώνης χρησιμοποιείται στον τηλεπικοινωνιακό τομέα και χρησιμοποιείται επίσης στο εύρος συχνοτήτων ήχου από 0 kHz έως 20 kHz για μόντεμ και επεξεργασία ομιλίας. Αυτά χρησιμοποιούνται συνήθως σε ασύρματους πομπούς και δέκτες
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενεργού και παθητικού φίλτρου διέλευσης ζώνης;
Τα ενεργά φίλτρα λειτουργούν με πηγή ενέργειας, ενώ τα παθητικά φίλτρα δεν χρειάζονται πηγή ενέργειας. Η έξοδος του παθητικού φίλτρου αλλάζει με το φορτίο ενώ το ενεργό φίλτρο διατηρεί την απόδοσή του ανεξάρτητα από το συνδεδεμένο φορτίο.
Ποια είναι η λειτουργία μεταφοράς ενός φίλτρου διέλευσης ζώνης;
Η συμπεριφορά του φίλτρου ζώνης διέλευσης μπορεί να περιγραφεί μαθηματικά με μια συνάρτηση μεταφοράς. Αυτή είναι μια πολύπλοκη λειτουργία που συνδέει τα σήματα εισόδου και εξόδου του φίλτρου. Άρα το T.F δίνεται από H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).
Τι είναι η λειτουργία μεταφοράς φίλτρου;
Η συνάρτηση μεταφοράς φίλτρου είναι ο μετασχηματισμός Z της παλμικής του απόκρισης. Περιλαμβάνει ολόκληρες τετραγωνικές εξισώσεις τόσο στον αριθμητή όσο και στον παρονομαστή. Παρέχει τη βάση για την εφαρμογή χαρακτηριστικών υλοποίησης χαμηλοπερατών, υψηλών διέλευσης, εγκοπής μονής συχνότητας και απόρριψης ζώνης.
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).
Έτσι, αυτή είναι μια επισκόπηση των ενεργών Ζωντανό φίλτρο, κύκλωμα, εργασία , τύπους και εφαρμογές. Τα ενεργά ζωνοπερατά φίλτρα είναι σημαντικά εξαρτήματα εντός των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τη διέλευση ενός συγκεκριμένου εύρους συχνοτήτων επιλεκτικά ενώ εξασθενούν άλλες. Αυτά τα φίλτρα παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα όπως υψηλή ακρίβεια και κέρδος. Τα ενεργά BPF χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα επικοινωνίας καθώς και εφαρμογές που βασίζονται στην επεξεργασία σήματος όπου απαιτούνται σταθερότητα και υψηλή ακρίβεια, όπως στους ραδιοφωνικούς δέκτες. Αυτά χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών, ήχου, βιοϊατρικής μηχανικής και ραδιοεπικοινωνιών. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ένα παθητικό bandpass φίλτρο;
