Menyahmistikan Reka Bentuk Penapis Pasif: Teori dan Langkah Reka Bentuk Didedahkan

1. Pengenalan kepada Penapis Pasif

Penapis analog pasif ialah komponen penting dalam pemprosesan isyarat, direka untuk melemahkan atau melepasi komponen frekuensi tertentu isyarat. Di bawah ialah spesifikasinya.

1.1 Kekerapan rendah 1 kHz (dengan amplitud 5V)

1.2 Kekerapan 50 kHz (dengan amplitud 1V)

1.3 Isyarat komposit

Ia amat berguna untuk aplikasi seperti penyingkiran hingar dan pemisahan isyarat dalam persekitaran sederhana yang dikongsi. Artikel ini meneroka pembinaan, prinsip operasi dan aplikasi penapis pasif.

2. Komponen pasif dalam Penapis

Penapis pasif menggunakan dua komponen reaktif utama: kapasitor dan induktor, masing-masing mempunyai ciri yang berbeza berdasarkan frekuensi yang digunakan.

2.1Kapasitor

Kapasitor menyimpan tenaga dengan mengekalkan cas antara dua plat. Apabila voltan dikenakan, arus mengalir ke dalam kapasitor sehingga voltan merentasi plat sama dengan voltan yang dikenakan. Setelah dicas, kapasitor menyimpan tenaga dalam medan elektriknya.

Dalam penapis aktif, adalah jelas bahawa arus mengalir apabila voltan turun naik dan terhenti apabila voltan stabil. Tanpa perbezaan voltan, tiada arus mengalir.

Untuk arus terus (DC), Untuk arus terus (DC), kapasitor menyekat arus kerana ketiadaan kesinambungan elektrik antara terminalnya. Walau bagaimanapun, dengan arus ulang alik (AC), arus boleh melalui kapasitor sebagai pemindahan tenaga melalui medan elektrik dalamannya.

Dari sudut pandangan AC, kapasitor menyekat frekuensi yang lebih rendah sambil membenarkan frekuensi yang lebih tinggi melaluinya

Impedans kapasitif berbeza mengikut kekerapan: pada frekuensi rendah, kapasitor berkelakuan seperti litar terbuka, manakala pada frekuensi tinggi, ia bertindak sebagai litar pintas. Pada frekuensi pertengahan, kapasitor mempamerkan impedans serupa dengan perintang. Walau bagaimanapun, tidak seperti perintang, mereka tidak menghilangkan tenaga sebagai haba tetapi menyimpannya dalam medan elektrik mereka.

2.2 Induktor:

Induktor menyimpan tenaga dalam medan magnet yang dihasilkan di sekeliling belitannya. Tidak seperti kapasitor, induktor membenarkan aliran arus yang mantap dan menentang perubahan arus dan voltan. Walaupun kapasitor adalah serupa dengan spring, induktor menyerupai roda tenaga. Apabila voltan digunakan, impedans awal mengehadkan aliran semasa semasa mewujudkan medan magnet.

Sebaik sahaja medan magnet diwujudkan, arus terus mengalir melalui induktor tanpa halangan. Jika anda cuba menghalang arus melalui induktor, medan magnet menjana voltan untuk mengekalkan aliran arus.

Untuk frekuensi rendah, induktor muncul sebagai litar pintas. Untuk frekuensi tinggi, induktor muncul sebagai litar terbuka. Sama seperti kapasitor, induktor mempamerkan ciri impedans serupa dengan perintang pada frekuensi pertengahan, tetapi tidak seperti perintang, ia tidak menghilangkan tenaga sebagai haba; sebaliknya, mereka menyimpan tenaga dalam medan magnet.

Ringkasnya, kapasitor dan induktor ialah komponen reaktif yang saling melengkapi dalam aplikasi arus ulang-alik, menjadikannya sesuai untuk membina penapis pasif.

3. desibel

Sebelum mengkaji lebih lanjut, adalah penting untuk memahami unit ukuran yang dikenali sebagai desibel (dB). Desibel ialah unit logaritma, seperti berikut:

20 dB sepadan dengan 0 kali amplitud dan 100 kali kuasa, 40 dB mewakili 100 kali amplitud dan 10,000 kali kuasa, dan sebagainya. Menggunakan desibel sebagai unit ukuran membolehkan kami mengendalikan pelbagai nilai dengan mudah, dari sangat kecil hingga sangat besar.

4. Plot Tindak Balas Kekerapan

Plot tindak balas frekuensi, juga dikenali sebagai plot Bode, menggambarkan cara litar bertindak balas merentasi julat frekuensi, membuktikan penting untuk reka bentuk dan analisis penapis.

5. Penapis Lulus Tinggi Kapasitor

Penapis laluan tinggi membolehkan frekuensi yang lebih tinggi melaluinya sambil melemahkan frekuensi yang lebih rendah. Kapasitor memudahkan laluan frekuensi yang lebih tinggi, menjadikannya sesuai untuk membina penapis laluan tinggi.

Daripada plot tindak balas frekuensi, kami memerhatikan bahawa frekuensi di atas kira-kira 16 kHz melalui dengan perubahan yang minimum (hampir kepada variasi 0 dB), manakala frekuensi di bawah titik ini menunjukkan pengecilan yang semakin meningkat (pada 100 Hz, pengecilan mencapai -44 dB).

Penapis tidak mencipta kesan dinding bata untuk menyekat frekuensi yang lebih rendah tetapi sebaliknya melemahkannya lebih apabila kekerapan berkurangan. Menggabungkan penapis boleh meningkatkan roll-off ini, juga dikenali sebagai meningkatkan susunan penapis.

Sebagai contoh, kapasitor secara berkesan mengeluarkan komponen 1 kHz frekuensi rendah daripada isyarat (seperti yang digambarkan oleh kesan merah dalam graf).

6. Penapis Lulus Rendah

Penapis laluan rendah beroperasi secara bertentangan dengan penapis laluan tinggi, membenarkan frekuensi yang lebih rendah melaluinya sambil melemahkan frekuensi yang lebih tinggi. Untuk menukar contoh kepada penapis laluan rendah, hanya gantikan kapasitor dengan induktor.

Begitu juga, frekuensi di bawah kira-kira 3 kHz melepasi dengan perubahan yang minimum (berhampiran dengan 0 dB variasi), manakala frekuensi di atas titik ini mengalami peningkatan pengecilan (pada 100 kHz, mencapai -30 dB). Adalah penting untuk diperhatikan sekali lagi bahawa penapis tidak mempamerkan kesan dinding bata untuk menyekat frekuensi yang lebih tinggi tetapi lebih melemahkan apabila kekerapan meningkat. Menggabungkan penapis juga boleh menajamkan roll-off ini, dirujuk sebagai meningkatkan susunan penapis.

Dalam senario ini, frekuensi tinggi dipintas ke tanah melalui kapasitor, dengan berkesan mengeluarkannya daripada isyarat. Plot tindak balas kekerapan untuk persediaan ini digambarkan di bawah:

7. Penapis Lulus Tinggi Induktor

Begitu juga, kita boleh membina penapis laluan tinggi menggunakan induktor:

Di sini, komponen frekuensi rendah diasingkan ke tanah melalui induktor, dengan berkesan mengeluarkannya daripada isyarat. Plot tindak balas frekuensi untuk konfigurasi ini ditunjukkan di bawah: [masukkan plot tindak balas frekuensi].

8. Kekerapan Cutoff

Kekerapan cutoff ditakrifkan sebagai titik pada plot tindak balas frekuensi di mana isyarat melemahkan kepada -3 dB, sepadan dengan 50% daripada kuasa asalnya (kira-kira 70.7% daripada voltan asalnya). Ini juga merupakan titik di mana cerun pengecilan bersilang dengan cerun jalur laluan pada carta.

Untuk penapis kapasitor, formula frekuensi ialah:

C=1/ 2πRC

Untuk penapis induktor, formula frekuensi ialah:

C= R / 2πL

Dalam kes penapis kapasitor dengan perintang 10k dan kapasitor 1nF, frekuensinya ialah:

C= 1/2π(10x103)(1x10-9) = 15.9kHz

Dalam kes penapis induktor dengan perintang 10k dan kapasitor 1nF, frekuensinya ialah:

C=(10x103)/2π(0.1) = 15.9kHz

Kedua-dua kes ini sejajar dengan apa yang diperhatikan dalam plot tindak balas kekerapan di atas.

9. Penapis Pesanan Tinggi

Dalam penapis yang dibincangkan sebelum ini, setiap satu termasuk satu komponen reaktif. Cerun di kawasan jalur henti plot tindak balas frekuensi adalah lebih kurang 20 dB setiap dekad.

Dengan memasukkan komponen dan/atau penapis reaktif tambahan, kami boleh meningkatkan setiap cerun komponen reaktif sekitar 20 dB, dengan itu meningkatkan susunan penapis.

Sebagai contoh, berikut ialah penapis tertib kedua (2 komponen reaktif) mencapai cerun kira-kira 40 dB setiap dekad.

Tetapi adalah penting untuk ambil perhatian bahawa meningkatkan susunan penapis secara berlebihan juga mempunyai kelemahan, seperti pengecilan isyarat yang lebih tinggi walaupun dalam jalur laluan, kelewatan perambatan isyarat dan peningkatan kos dan kerumitan litar.

10. Penapis Bandpass dan Bandstop

Akhir sekali, penapis laluan jalur atau henti jalur dicipta dengan menggabungkan penapis laluan tinggi dan laluan rendah dengan frekuensi potong yang sesuai.