Фильтр нижних частот: Что такое фильтр нижних частот? Руководство по основам пассивных RC фильтров — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Фильтр низких частот — это… Что такое Фильтр низких частот?

Фильтр ни́жних часто́т (ФНЧ) — электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (или подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

В отличие от него, фильтр высоких частот пропускает частоты сигнала выше частоты среза, подавляя низкие частоты.

Реализация фильтров нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, акустические барьеры, механические системы и т. д.

Примеры фильтров нижних частот

Для звуковых волн твёрдый барьер играет роль фильтра нижних частот — например, в музыке, играющей в другой комнате, легко различимы басы, а высокие частоты отфильтровываются (звук «оглушается»). Точно так же ухом воспринимается музыка, играющая в закрытой машине.

Электронные фильтры нижних частот используются в сабвуферах и других типах звуковых колонок, в системах передачи данных для отфильтровки высокочастотных помех, а также имеют большое число других применений.

Радиопередатчики используют низкочастотные фильтры для блокировки гармонических излучений, которые могут взаимодействовать с низкочастотным полезным сигналом.

Механические низкочастотные фильтры часто используют в контурах непрерывных систем управления в качестве корректирующих звеньев.

В обработке изображений низкочастотные фильтры используются для очистки картинки от шума и создания спецэффектов, а также в сжатии изображений.

Идеальный фильтр нижних частот

Идеальный фильтр нижних частот (sinc-фильтр) полностью подавляет все частоты входного сигнала выше частоты среза и пропускает без изменений все частоты ниже частоты среза. Переходной зоны между частотами полосы подавления и полосы пропускания не существует. Идеальный фильтр нижних частот может быть реализован лишь теоретически с помощью умножения входного сигнала на прямоугольную функцию в частотной области, или, что даёт тот же эффект, свёртки сигнала во временно́й области с sinc-функцией.

Однако такой фильтр практически нереализуем для большинства сигналов, так как sinc-функция имеет ненулевые значения для всех моментов времени вплоть до бесконечности. Его можно использовать только для уже записанных цифровых сигналов либо для идеально периодических сигналов.

Реальные фильтры для приложений реального времени могут лишь приближаться к идеальному фильтру.

Для RC фильтра, применяемого на линейном входе компьютера, обычно используются переменный резистор и конденсатор емкостью около 0,33 мкФ.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Что такое активный фильтр нижних частот? | 3+ преимущества

СОДЕРЖАНИЕ

Определение активного ФНЧ
Что делает активный ФНЧ?
Компоненты активного ФНЧ
Частотный отклик
Дизайн активен LPF
Частотное масштабирование
Функция передачи
Что такое ФНЧ второго порядка
Передаточная функция активного ФНЧ второго порядка
Разработайте активный ФНЧ второго порядка
Сравнение активного ФНЧ и пассивного ФНЧ
Почему мы используем активный ФНЧ
Преимущества активного ФНЧ
Часто задаваемые вопросы

Перво-наперво, давайте обсудим, что такое простой Фильтр низких частот —

Фильтр нижних частот — это тип фильтра, который в основном пропускает сигналы с частотой ниже определенной частоты среза и ослабляет все частоты выше диапазона среза. ».

Теперь Активный фильтр низких частот Фильтр изготовлен из активные компоненты как ОУ, резисторы, а также передает низкочастотные сигналы с меньшим сопротивление и имеет постоянное усиление на выходе от нуля до частоты среза.

Активные фильтры состоят из активных компонентов, как следует из названия, таких как операционный усилитель, транзисторы или полевые транзисторы в схеме.

Активный фильтр обычно состоит из усилителей, конденсаторов и резисторов.

Так что вообще, Активный фильтр низких частот любой фильтр, использующий ОУ для повышения производительности и предсказуемости при такой низкой стоимости.

Принципиальная схема активного ФНЧАктивный фильтр низких частот

На приведенном выше рисунке это часто используемый активный фильтр нижних частот.
Частотная характеристика фильтра низких частот:Характеристическая кривая активного ФНЧ
Конструкция активного фильтра нижних частот:
Сопротивление R =
              F_c = частота отсечки
              Ω_c = частота отсечки
              C = емкость
Частоту среза можно изменить, умножив ее на RC или C.
Дифференциальное уравнение для фильтра —
Подробнее здесь — Нажмите!
Что такое ФНЧ второго порядка?
Для создания фильтра второго порядка мы обычно используем операционный усилитель, и поэтому фильтр второго порядка также можно назвать фильтром VCVS; где VCVS относится к усилителю «Источник управляющего напряжения». Мы разрабатываем фильтр второго порядка вместе с активным RC-фильтром первого порядка.
Поскольку это фильтр нижних частот, он пропускает только низкочастотные сигналы и ослабляет все более высокие частоты выше указанного диапазона частот.
Фильтр нижних частот второго порядка более точно ослабляет высокочастотные сигналы. Усиление уменьшается со скоростью 12 дБ на октаву. В противном случае это 40 дБ / декада.
Схема ФНЧ второго порядка

В фильтре второго порядка
Если номиналы резистора и конденсатора разные,
Когда номиналы резистора и конденсатора одинаковы,
Передаточная функция активного фильтра нижних частот второго порядка:
Передаточная функция обозначается как,
Величина передаточной функции —
Где ω_c это частота среза.
Приведены АЧХ активных фильтров нижних частот второго порядка.
АЧХ ФНЧ 2-го порядка

Конструкция активного фильтра нижних частот второго порядка:
Сначала выбираем значение частоты среза ω_c (или ф_c).
Найдите R,
                              R_f = К (2Р) = 3.172 Р.
Найдите R1 при K = 1.586
Основные различия между активным фильтром нижних частот и пассивным фильтром нижних частот:
Активные компоненты фактически более дорогие, поэтому активные фильтры тоже дороги, тогда как стоимость пассивных фильтров ниже из-за наличия пассивных компонентов.
Схема активного фильтра нижних частот сложна, а схема пассивного фильтра нижних частот менее сложна.
Для работы активного ФНЧ нам понадобится внешний источник питания. Но пассивные фильтры не требуют внешнего питания, потому что они управляют энергией для своей работы от приложенного входного сигнала.
Пассивные фильтры содержат больше компонентов, чем активный фильтр нижних частот; вот почему они тяжелее.
Активные ФНЧ более чувствительны при изменении температуры, но пассивные проявляют меньшую чувствительность с ростом температуры.
Благодаря менее сложной схеме и более низкой цене, чем другие активные фильтры, мы используем Active LPF во многих областях..
Ознакомьтесь с ними здесь — Приложения с фильтром низких частот.
Фильтр нижних частот используется в фильтрах «шипение».
Эти фильтры также используются в АЦП. В этих схемах они действуют как фильтр сглаживания.
ФНЧ также используются для предотвращения излучения гармоник от РЧ-передатчиков.
Эти фильтры также находят применение в музыкальных системах. В этих фильтрах отсутствуют высокочастотные составляющие.
Преимущества активного фильтра нижних частот:
Для передаточной функции с индуктивными характеристиками он может обеспечить удовлетворительный выход в приемлемом диапазоне частот.
Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс операционного усилителя делают схему превосходной при каскадировании.
Благодаря лучшему усилению он обеспечивает большее усиление.
Что такое частота 3 дБ в активном фильтре нижних частот?
3 дБ — это уровень мощности, при котором частота среза на 3 дБ ниже максимального значения, а 3 дБ обычно составляет половину максимальной мощности.
Нажмите здесь, чтобы получить ответ!
Узнать больше об электронике нажмите сюда
О Сумали Бхаттачарье
В настоящее время я инвестирую в сферу электроники и связи.
Мои статьи сосредоточены на основных областях базовой электроники с использованием очень простого, но информативного подхода.
Я хорошо учусь и стараюсь быть в курсе всех последних технологий в области электроники.
Подключимся через LinkedIn —
https://www.linkedin.com/in/soumali-bhattacharya-34833a18b/
по виду их амплитудно-частотных характеристик
Рассмотрим основные типы фильтров, классифицируемых по виду амплитудно-частотных характеристик.
Фильтры нижних частот.
Для фильтров нижних частот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются.
Приведем примеры амплитудно-частотных характеристик фильтров нижних частот. На рис. 2.52, а показана характеристика идеального (не реализуемого на практике) фильтра (ее иногда называют характеристикой типа «кирпичная стена»). На других рисунках представлены характеристики реальных фильтров.
Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза ω_с. Обычно частоту среза определяют как частоту, на которой величина А(ω) равна 0,707 от максимального значения (т. е. меньше максимального значения на 3 дБ).
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Полоса задерживания (подавления) начинается от частоты задерживания ωз и продолжается до бесконечности. В ряде случаев частоту задерживания определяют как частоту, на которой величина А(ω) меньше максимального значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз).
Между полосами пропускания и задерживания у реальных фильтров расположена переходная полоса. У идеального фильтра переходная полоса отсутствует.
Фильтры верхних частот.
Фильтр верхних частот характерен тем, что он пропускает сигналы верхних и задерживает сигналы нижних частот.
Частотные характеристики фильтров верхних частот, как и характеристики фильтров нижних частот, многообразны в своих деталях.
Изобразим для иллюстрации две характеристики: идеальную, нереализуемую (рис. 2.53, а), и одну из типичных реальных (рис. 2.53, б). Через ω_си ω_з обозначены частоты среза и задерживания.
Полосовые фильтры (полосно-пропускающие).
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот. Сигналы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает.
Изобразим амплитудно-частотную характеристику для идеального (нереализуемого) фильтра (рис. 2.54, а) и одну из типичных реальных характеристик (рис. 2.54, б).
Через ω_с1 и ω_с2 обозначены две частоты среза, ω₀ — средняя частота. Она определяется выражением
ω₀ = √ (ω_с1 · ω_с2)
Режекторные фильтры (полосно-заграждающие).
Режекторные фильтры не пропускают (задерживают) сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускают сигналы с другими частотами. Изобразим амплитудно-частотную характеристику для идеального (нереализуемого) фильтра (рис. 2.55, а) и одну из типичных реальных характеристик (рис. 2.55, б).
Всепропускающие фильтры (фазовые корректоры).
Эти фильтры пропускают сигналы любой частоты. Построим соответствующую амплитудно-частотную характеристику (рис. 2.56).
Такие фильтры используются в некоторой электронной системе для того, чтобы изменить с той или иной целью фазочастотную характеристику всей системы.
Исходя из приведенного математического описания фильтров, нетрудно сделать вывод, что ход амплитудно-частотной характеристики на достаточном удалении от полосы пропускания прямо определяется порядком фильтра.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Этот факт хорошо иллюстрируют амплитудно-частотные характеристики, выполненные в логарифмическом масштабе. Рассмотрим указанные характеристики для некоторых фильтров различного порядка, имеющих одинаковые коэффициенты усиления на нулевой частоте, равные 100 (рис. 2.57).
Из математического описания следует, что на достаточном расстоянии от полосы пропускания наклон характеристики равен − 20n дБ/дек, где n — порядок фильтра. Наклон − 20 дБ/дек означает, что увеличение частоты в 10 раз приводит к уменьшению коэффициента усиления в 10 раз, а наклон − 40 дБ/дек означает, что увеличение частоты в 10 раз приводит к уменьшению коэффициента усиления в 100 раз.
Из изложенного следует, что если необходимо обеспечить более быстрое изменение коэффициента усиления на удалении от полосы пропускания, то следует увеличить порядок фильтра (но при этом схема фильтра усложняется).
Синтез фильтров нижних частот
Фильтры Баттеворта.
Квадрат АЧХ фильтра Баттеворта имеет вид:
,                                                            (1)
где – нормированная частота, e – параметр, определяющий максимальное затухание на границе полосы пропускания, n – порядок фильтра. График функции
К(W ) для разных n показан на рис. 12.
Рис. 12
В полосе пропускания коэффициент передачи меняется монотонно. Такая аппроксимация называется максимально плоской. Операторная характеристика фильтра получается из квадрата АЧХ:
Полюса передаточной характеристики равны где k = 1, 2, …, n – для четных n, и , k=0, 1, 2 (n-1) – для нечетных n. Таким образом, полюса располагаются на окружности единичного радиуса, а разность аргументов соседних корней равна . На рис.13 показаны полюса для
n=1, 3, 4.
Рис. 13
Вид функции К(р) и расположение полюсов не зависят от величины e .
С увеличением порядка фильтра n его АЧХ вне полосы пропускания спадает все более круто. Полоса же пропускания не зависит от порядка фильтра.
Фильтры Чебышева.
Аппроксимация АЧХ фильтра производится здесь по формуле
,
где при ; при W >1 – полином Чебышева.
Графики функции
К(W ) для n=2 и n=4 приведены на рис. 14. Такая аппроксимация называется равноволновой. Границы колебания АЧХ внутри полосы пропускания задаются величиной e .
Рис. 14
Операторные передаточные функции фильтров Баттеворта и Чебышева имеют одинаковый вид
и различаются лишь значениями полюсов. Фильтры с такой характеристикой называют полиномиальными. Пример схемы ФНЧ полиномиального типа изображен на рис. 15.
Рис. 15
При одинаковых требованиях к ФНЧ фильтры Чебышева требуют меньшего порядка, чем фильтры Баттеворта, однако последние вносят меньшие искажения.

Расчёт фильтра нижних частот

Rin — Входное сопротивление ФНЧ
Rout — Выходное сопротивление ФНЧ

Расчёт фильтра нижних частот

Частота сигнала:

МГц

Входное сопротивление фильтра:

Ом

Выходное сопротивление фильтра:

Ом

Добротность фильтра:

Индуктивности:

Ёмкости:

L1:

мкГн

C1:

пФ

L2:

мкГн

C2:

пФ

C3:

пФ

*Формат ввода — х.хх (разделитель — точка)

Пожелания, замечания, рекомендации по улучшению раздела расчётов на нашем сайте просьба присылать по электронной почте [email protected]

Разрешается копирование java-скриптов при условии ссылки на источник.

ВСЕ РАСЧЁТЫ
Проектирование фильтра нижних частот на МПЛ предназначенного для работы в измерительном устройстве
В своей курсовой работе я спроектировала ФВЧ на МПЛ предназначенный для работы в измерительном устройстве со следующими электрическими параметрами: частота среза 4,3 ГГц, максимальная частота полосы заграждения 4,1 ГГц, максимальное затухание в полосе пропускания не более 0.05 дБ, полоса пропускания 4,3…5,3 ГГц, максимальное затухание в полосе заграждения не менее 25 дБ, максимальная передаваемая мощность 0,5 Вт. Характеристика фильтра максимально плоская. Вход и выход на стандартные коаксиальные разъемы с волновым сопротивлением 50 Ом.

Основным свойством фильтров является их прозрачность в некотором интервале частот и более или менее полная непрозрачность на частотах, лежащих вне полосы пропускания. По взаимному расположению частот пропускания и заграждения фильтры разделяются на следующие основные типы:

фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий полосу проникания 0и полосу заграждения <<¥;
фильтр верхних частот (ФВЧ), имеющий полосу пропускания <¥ и полосу заграждения 0<
полосно-пропускающий, или полосовой фильтр (ППФ), имеющий полосу пропускания и полосы заграждения <и <-
полосно-заграждающий или заграждающий фильтр (ПЗФ), имеющий полосу заграждения и полосы пропускания < и<. Граничные частоты и называются частотами среза фильтра.
Были проведены следующие расчеты: 1 Выбор материала и размеров подложки: был выбран поликор толщиной 1.5мм (керамика ВК 100-1) — алюмооксидная керамика с содержанием оксида алюминия 98 … 100 %, имеет низкий ТКЛР, высокую химическую стойкость.

2 Расчет числа звеньев фильтра: получили 3 звена.
3 Расчет g параметров
4 Расчет значений емкостей и индуктивностей: получили C =7,95*10^-9 ф Ом, L₁ = L₂= 1,59*10^-8 Гн/Ом
при переходе к ненормированным величинам элементов, при R_н = 50 Ом:
L₁ = L₂ = 1,59*10^-8*50 = 800 нГн,
C = 7,95*10^-9/50 = 159 пФ
5 Расчет геометрических размеров фильтра
ширина полоски емкостного и индуктивного шлейфа: W_с =6,75 мм, W_L =1,5 мм
длина индуктивного и емкостного шлейфа: l_L = 36 мм, l_С =45 мм
С учетом размеров фильтра и значения допустимых расстояний, определяемых технологией, выбраны размеры платы 120*96
6 Расчет МПЛ
7 Выбор корпуса: выберан 3223 тип корпуса — это рамочные корпуса, они позволяют осуществить двухъярусное расположение плат. Корпуса удобны в серийном производстве. Крепление платы производится установкой на уступы или выступы по периметру платы с последующей пайкой Корпус герметизируется пайкой или сваркой.
Достоинства: технологичность, дешевизна, простота сборки.
Недостатки: Большая протяженность швов при герметизации.
8 Расчет допусков. В результате проведенных расчетов допусков получили К_СТ_U = 1,019
9 Расчет надежности: в результате проведенных расчетов получили время наработки на отказ данного фильтра верхних частот равным 26996 часов.
Фильтры нижних частот — Справочник химика 21
Среднеквадратичная амплитуда случайного шума во временном представлении п 1) зависит от ширины полосы спектрометра. Среднеквадратичная амплитуда белого шума фильтра нижних частот с частотой среза /с равна [c.189]
Чтобы избежать увеличения амплитуды шума при преобразовании высокочастотного шума в низкочастотную область, рекомендуется устанавливать частоту среза фильтра нижних частот /с равной частоте Найквиста /ы = (1/2)Д процесса выборки с периодом At, что приводит к [c.190]

Единственный способ устранения ошибок маскировки при цифровом анализе данных заключается в подавлении в исходных данных (до аналого-цифрового преобразования) частот, превышающих частоту Найквиста. Для этого на выходе аналогового устройства включают фильтр нижних частот. Крутизна спада частотной характеристики не может быть бесконечно большой, поэтому частоту среза выбирают равной 0,7…0,8. [c.134]
Генератор колебаний собран по схеме на биениях (рис. 3-33), что позволяет получать большое перекрытие установленного частотного диапазона без дополнительных переключений. Генератор фиксированной частоты / вырабатывает синусоидальное напряжение частотой 30 кГц, поступающее на резонансный усилитель 2, а затем на смеситель 3. Вместе с тем на тот же смеситель 3 поступает от генератора переменной частоты синусоидальное напряжение с частотой 20—30 кГц, В результате наложения поступающих напряжений на выходе смесителя 3 вырабатываются различные комбинированные по частоте напряжения с возможным диапазоном частоты от суммы частот двух поступающих синусоидальных напряжений до их ра,зности. Фильтр нижних частот 5 отфильтровывает все частоты, пропуская лишь одну фиксированную частоту, установленную настройкой, В дальнейшем напряжение этой фиксированной частоты [c.300]
I — генератор фиксированной частоты 2 — резонансный усилитель 3 — смеситель 4 — генератор переменной частоты 5 — фильтр нижних частот 6 — усилитель 7 блок развертки частоты 8 — аттенюатор 9 — интегратор 10, 2 — усилители И — второй интегратор 13 — блок регулирования уровня вибрации 14 — источник питания. [c.301]
Выходной усилитель 6, предназначенный для увеличения уровня напряжения и мощности сигнала, поступающего с фильтра нижних частот, состоит из усилителя напряжения и катодного повторителя. [c.302]
Импульсные полярограммы анализатор РАК-174 регистрирует только в режиме принудительного обрыва капли при /к == 0,5, 1, 2 или 5 с. Скорость развертки регулируется в пределах от 0,1 мВ/с до 5 В/с. Максимальная погрешность регистрации тока составляет 0,5% при максимальной инструментальной чувствительности (0,02 мкА на всю шкалу двухкоординатного самописца) и 0,25% при других чувствительностях (до 10 мА на всю шкалу). При регистрации ДИП АЕ может быть 5, 10, 25, 50 или 100 мВ. На выход усилителя прибора можно включать фильтр нижних частот с постоянной времени 0,3, 1 или 3 с. Предусмотрена возможность смещения ординаты записи на 10 шкал с помощью ручки установки нуля. [c.133]

Так как обнаружение пика ведется в условиях помех, то необходимо предварительно произвести сглаживание сигнала. Если от высокочастотного шума сравнительно просто избавиться установкой на входе селектора фильтра нижних частот, то низкочастотный шум на частотах сигнала устранить очень трудно. Наличие фильтра при определенных условиях может привести к появлению дополнительной задержки в селекции и вызвать увеличение ошибки бзп. Исследования [Л. 88] показали, что наличие фильтра даже с частотой среза 0,1 — 1 гц не вносит заметных погрешностей, однако для уменьшения задержки обнаружения пика желательно повышать частоту среза, а для того, чтобы это не приводило к появлению ложных срабатываний при высокой чувствительности селектора, ввести дополнительный контроль по параметру. При цифровой селекции селектор имеет дело с цифровым сигналом, представляющим собой последовательность числовых значений ординат (точек). Шум в этом случае еще больше вследствие наличия таких дополнительных источников шума, как квантователи, [c.37]
Выходные импульсы подсчитываются счетчиком интеграла 6. Специальное устройство коррекции нуля 3 следит за базисным значением сигнала (в данном случае в частотной форме). Слежение ведется во время отсутствия пика. При обнаружении пика селектором 8 базисное значение сигнала запоминается в блоке 3 и подается на вход преобразователя 4. На селектор 8 (по производной) входной сигнал поступает через логарифмический усилитель и фильтр нижних частот 5. Для возможности работы при неполном разделении пиков используется дополнительный селектор по уровню 7. Обнаружение пика фиксируется схемой управления 13, разрешающей интегрирование. На схему управления возлагаются контроль по параметру (см. 8), а также регистрация (блок 15) времен удерживания (использу-66 [c.66]
При вычислениях учитывались спектральные составляющие лишь до /в, что эквивалентно пропусканию случайного сигнала через идеальный фильтр нижних частот с верхней граничной частотой fв. Результаты получены для сглаживания по способу Бартлета. Значения параметров Тт и / были приняты равными 10//в и О соответственно, т. е. рассматривался случай анализа низких частот при А/э=0,15/в- [c.130]
Если интересующий экспериментатора частотный диапазон характеризуется верхней частотой /в, то частоту отсчетов следует выбрать из условия /в=/о/2= 1/2А/, а все составляющие спектра а(1), соответствующие более высоким, чем /в, частотам, необходимо отфильтровать при помощи избирательных устройств, включаемых перед схемой дискретизации. Во всех случаях, когда это возможно, желательно исключить из спектра сигнала те составляющие, частота которых превышает наивысшую интересующую нас частоту /в- Выбирая интервал отсчетов равным 1/2/в, при помощи достаточно хорошего фильтра нижних частот практически полностью устраняем погрешность наложения. Преимущества подобной методики могут оказаться довольно значительными, особенно при измерениях на низких частотах, так как объем обрабатываемой информации снижается во столько раз, во сколько снижена частота отсчетов. Фильтры, очевидно, необходимы также и в тед [c.216]
Напряжения гетеродинов подаются на буферные каскады, а затем на преобразователь частоты. На выходе преобразователя включен фильтр нижних частот, задерживающий все высокочастотные составляющие, полученные после преобразования, и пропускающий спектр частот рабочего диапазона. Высокочастотное напряжение после фильтра усиливается широкополосным усилителем и поступает на выход к высокочастотным пластинам омегатрона (через кабель РК-50). Напряжение на выходе усилителя контролируется стрелочным индикатором. [c.202]
Другим примером могут служить фильтры с изменяющимися во времени параметрами для измерения амплитуд импульсов [13]. Опорный импульс представляет собой энергетический сигнал, форма которого эквивалентна форме измеряемого импульса. Опорный генератор запускается с помощью входных импульсов и генерирует надлежащим образом синхронизованные импульсы wr x). Фильтром нижних частот обычно служит стробирующий интегратор, возвращающийся в исходное положение после проведения измерения. [c.502]
Здесь должна быть учтена возможность уменьшения постоянной времени фильтра нижних частот. [c.107]
I — усилитель ВЧ 2 — синхронный детектор г—фильтр нижних частот, определяющий ширину пропускаемых частот Д/ 4 —регистрирующее устройство. [c.30]
По характеру расположения полос пропускания и задерживания иа оси частот различают фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), заграждающие фильтры (ЗФ). [c.4]
ГЛАВА ВТОРАЯ ФИЛЬТРЫ нижних ЧАСТОТ [c.16]
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ [c.16]
Повторение 2М-эксперимента при нескольких значениях Тт и усреднение полученных сигналов. Нередко используют случайные изменения величины тт [9.6], хотя к лучшим результатам могут приводить правильно подобранные значения гщ [9.12]. Компоненты с низшими нульквантовыми частотами (I) — ui) в (9.4.5), дающие У-кросс-пики вблизи диагонали, не подавляются, поскольку усреднение по различным значениям гт действует как фильтр нижних частот с частотой отсечки, определяемой полной вариацией величины [c.598]

Структурная схема виброаппаратуры с Фурье-преобразованием приведена на рис. 3. Сигнал с вибродатчика 1 через интегратор 2 поступает на фильтр нижних частот 3, выход которого подключен к двум функциональным делителям 4, состоящих из точных резисторов, инверторов и ключей. Ключи управляются сигналами с распределителя импульсов 16, соединенного с умножителем частоты / 7, к входу которого подключен импульсный датчик 18. Коэффициенты передачи функциональных делителей изменяются по псевдосинусоидаль-ному и псевдокосинусоидальному законам, в спектре которых, кроме оборотной частоты, присутствуют высшие гармоники. [c.610]
Для снижения влияния высших гармоник, содержащихся в спектре опорного сигнала, в схему включен фильтр нижних частот 3. На выходах интеграторов 5 образуются постоянные напряжения, пропорциональные синфазной и квадратурной составляющим вектора вибрации =ЫоЗтф и os o. Выходы интеграторов подключены к функциональным резисторным делителям б, управляемым с помощью сигналов от распределителя импульсов 14, вход которого подключен к стабилизированному по частоте импульсному генератору 15. [c.611]
Сигналы, снимаемые с делителей б, поступают на вход сумматора 7, выход которого соединяется с фильтром нижних частот 8. Коэффициенты передачи сумматора и фильтра выбраны таким образом, чтобы их суммарный коэффициент передачи на частоте псевдосинусои-дального сигнала со был равен единице. Переменное [c.611]
А — источник света ФЭС-1 — фою-влектрический стилометр с фотоумножителем ФЭУ-22 ВС-22-высоковольтный стабилизированный выпрямитель для питания ФЭУ-23 ЭО-7 — электронный осциллограф для визуального контроля импульсов ПУ — предварительный усилитель электрических импульсов с фильтром нижних частот Б-3 — пересчетное устройство для подсчета импульсов. [c.68]
Фильтр нижних частот 5 выполнен по четырехконтурной схеме с внутренними емкостными связями. Стабильность работы фильтра и добротность контуров достигаются применением ферритовых сердечников и слюдяных конденсаторов, причем вся схема фильтра закрыта металлическим экраном. [c.302]
Как н любой физический сигнал, хроматографический сигнал, получаемый от детектора, несет в себе помехи, имеющие различные частоты (шумы), которые ограничивают его информативность и от которых нужно избавиться в максимально возможной степени. Если частоты полезного сигнала и помех различаются между собой, то для их разделения можно использовать аналоговые частотные фильтры. Поскольку хроматографические пики при минимальной полуширине (ширина пика на половине его высоты, обозначаемая как HWB или Ьн) 1 с имеют максимальную ширину в шкале частот 10—20 Гц, они попадают в высокочастотную область шумов, которые могут быть вызваны самим детектором, усилителем, сетевым фоном переменного тока, наводками и контактными импульсами переключающих устройств. Из-за фазового сдвига аналоговых фильтров на границе полосы пропускания предельную частоту фильтфа следует выбирать выше самой высокой частоты полезного сигнала во избежание искажения его временной характеристики. В соответствии с этим фильтры нижних частот имеют предельную частоту 25—40 Гц. Недостатком чаще всего используемых пассивных аналоговых фильтров являются жесткие характеристики, которые препятствуют оптимальной фильтрации полезных сигналов с примерно на два порядка более низкими предельными частотами, каковые имеют место для различных ширин пиков в хроматографии. По этой причине дополнительно к аналоговым фильтрам применяют цифровые фильтры, согласованные с проходящим сигналом (разд. 2.4.3). Центральное заземление и хорошая экранировка (особенно детектора, усилителя и проводников аналоговых сигналов) позволяют частично избавиться от высокочастотных помех. Низкочастотные составляющие помех, источниками которых являются газ-но-ситель и содержащиеся в нем примеси, летучие компоненты неподвижной фазы, нестабильность рабочего режима (например, температурные колебания и перепады давления) приводят к неустойчивой или медленно дрейфующей нулевой линии. По- [c.439]
Постоянная времени усилительно-измерительной цепи при регистрации НИП равна 4, а при регистрации ДИП—Поэтому рекомендуется включать фильтр нижних частот только в исключительных случаях и регистрир.овать НИП с t 5 мВ/с, а ДИП с [c.134]
В приборе РК0-4 применен ряд оригинальных решений для повышения воспроизводимости показаний, ускорения анализа и снижения Смин- При регистрации ДИП этим прибором можно задерживать развертку потенциала на время наложения нескольких импульсов потенциала и регистрировать усредненный ток. Для предупреждени5 проскока потенциала пика (см. разд. I. 1.5) можно автоматически снижать скорость развертки в заранее заданных пределах при превышении заданного значения силы регистрируемого, тока. Прибор позволяет регулировать постоянную времени усилительно-измерительной цепи и включать фильтр нижних частот с регулируемой постоянной времени для уменьшения амплитуды случайных флуктуаций аналитического сигнала. В инструкции к прибору дана диаграмма зависимости максимально допустимого значения этой постоянной от о и 4- [c.135]
Приведем пример упрощенного расчета основных параметров спектрального анализатора. Допустим, что заданы /в=100 Гц А/э=1 Гц е=10% (0,1).Предположим также, что определяется оценка Хэннинга, и перед схемой дискретизации включен идеальный фильтр нижних частот с частотой среза 100 Гц. В этом случае шаг дискретизации [c.151]
Следует указать, что, когда применяются фильтры с постоянными параметрами, тип фильтрации сходен со стробирующим интегрированием, а именно, с интегрированием от to = t—T до / т. e. в пределах интервала с постоянной длительностью Т, предшествующего времени наблюдения /. Этого можно добиться, например, путем задерживания x t) на величину Т, вычитания его из незадержанного x t) и интегрирования полученного результата. Такой фильтр с постоянными параметрами имеет б-характеристику /г (/) = re t (О, Г) и функцию преобразования Я(м)= 7 sin ((o7 /2)exp(—/со7/2). Ои фильтрует нижние частоты с верхней предельной частотой (для вычислений шума) usn = л/Г пли fsn=l/ 2T (см. выше). Такую фильтрацию мы будем называть однократным определенным интегрированием. Из сравнения соответствующих весовых функций w t,x) очевидно, что любой фильтр нижних частот с постоянным параметром может быть аппроксимирован таким интегрированием и что сигнал на выходе можно рассматривать как приблизительное усреднение по времени сигнала на входе в пределах подходящего для этой цели интервала Т, умноженное на Т. Это прямоугольное приближение а (/, т) весьма напоминает прямоугольное приближение Я(о)) в частотном представлении. Фактически, что касается ширины полосы частот, рассматриваемый интервал Т зависит от величины выходного сигнала, который следует рассчитать. Так, например, в случае / С-интегратора при расчете выходного сигнала, соответствующего постоянному сигналу на входе, Т = R , тогда как при расчете среднего значення квадрата выходного шума. [c.500]
Несмотря на особую практическую важность, в литературе иногда не указывается на основное различие между стробпрую-щпм интегратором и обычным корреляционным фильтром, который нмеет тот же самый опорный импульс а к(т) и последующий фильтр нижних частот с постоянными параметрами. Число [c.505]
Следует напомнить и не упускать из виду того, что реальный стробирующий интегратор в дополнение к основным обладает п другими характерными чертами, такими, как наличие стробирующего и переключающего интегратора. Входные каскады (буферные усилители и т. д.) имеют конечное время нарастания, обычно равное 2—10 не, и, следовательно, производят некоторую предварительную фильтрацию. Импульс wr(x) не является идеально прямоугольным, а имеет переходные участки в несколько наносекунд (конечная скорость коммутации). Даль-исйшее прохождение сигнала через фильтр нижних частот обе- [c.508]
Последовательность импульсов накладывается на напряжение, медленно возрастающее по линейному закону, которое подается импульсным полярографом. Таким способом контролируется средний потенциал электрода, и начальный потенциал для каждой последовательности импульсов возрастает от капли к капле. В дополнение к этому импульсный полярограф служит программирующим устройством, которое определяет всю последовательность событий на каждой капле, а также используется для записи полярограмм. Для осуществления столь коротких времен заряжения необходимо, чтобы протекали значительные по величине нефа-радеевские токи. Однако эти токи не оказывают влияния на регистрируемый ток, если применяется метод фарадеевского выпрямления. При использовании периодической поляризации проявляются выпрямляющие свойства электродных процессов, обусловленные их нелинейностью. Если контролируется средний потенциал электрода, то вследствие выпрямления возникает малый компонент постоянного тока. Этот ток выпрямления г л пропорционален той доле вещества, восстанавливающегося в течение каждого промежутка t , которая затем не окисляется во время следующего интервала /2 — Ь. Поскольку при полностью необратимом процессе вообще не происходит обратного окисления, ток пропорционален полному количеству вещества, восстановленного за время tl. Большая чувствительность метода фарадеевского выпрямления в случае необратимых электродных реакций связана именно с этим обстоятельством. Поскольку обратное окисление невозможно, то во время прохождения последовательности импульсов происходит постепенное уменьшение концентрации деполяризатора, которое необходимо учитывать при обработке результатов. Между ячейкой и полярографом ставится фильтр нижних частот (рис. 5), который отделяет ток выпрямления от всех посторонних сигналов, а поэтому на полярографе регистрируется только среднее значение тока 1рп за вторую половину последовательности импульсов (т. е. за вторые 20 мсек). Это делается для того, чтобы получить сигнал, не искаженный переходным емкостным током, который быстро затухает. Наличие этого тока связано с нелинейностью емкости двойного слоя . Регистрация среднего значения тока 1 . имеет еще одно преимущество, которое заключается в том, что здесь используется стандартная аппаратура и берутся средние из большого числа измерений. Это значительно снижает величину малых случайных ошибок, которые влияют на точность методов, основанных на единичном измерении (рис. 6). [c.104]
В фильтре нижних частот полоса пропускания располагается от О до частоты /еГ, полоса задерживания начинается от частоты /е и продолжается до бесконечно больших частот. Между праничными частотами fei и U располагается область частот, называемая часто переходной, где никаких особых требований к характеристике фильтра не предъявляется. [c.4]
Что такое фильтр нижних частот? Учебное пособие по основам пассивных фильтров RC
Что такое фильтрация? Узнайте, что такое резисторно-конденсаторные (RC) фильтры нижних частот и где их можно использовать.
Эта статья знакомит с концепцией фильтрации и подробно объясняет назначение и характеристики резистивно-конденсаторных (RC) фильтров нижних частот.
Временная и частотная области
Когда вы смотрите на электрический сигнал на осциллографе, вы видите линию, которая представляет изменения напряжения во времени.В любой конкретный момент времени сигнал имеет только одно значение напряжения. На осциллографе вы видите , представление сигнала во временной области.
Типичная осциллограмма осциллографа проста и интуитивно понятна, но она также несколько ограничительна, потому что она не показывает напрямую частотную составляющую сигнала. В отличие от представления во временной области, в котором один момент времени соответствует только одному значению напряжения, представление в частотной области (также называемое спектром ) передает информацию о сигнале путем идентификации различных частотных компонентов , которые являются одновременно присутствуют .
Представления синусоиды (вверху) и прямоугольной волны (внизу) во временной области.
Представления синусоиды (вверху) и прямоугольной волны (внизу) в частотной области.
Что такое фильтр?
Фильтр — это схема, которая удаляет или «отфильтровывает» определенный диапазон частотных составляющих. Другими словами, он разделяет спектр сигнала на частотные составляющие, которые будут переданы , и частотные составляющие, которые будут заблокированы .
Если у вас нет большого опыта в анализе частотной области, вы все равно можете не знать, что это за частотные составляющие и как они сосуществуют в сигнале, который не может иметь несколько значений напряжения одновременно. Давайте рассмотрим краткий пример, который поможет прояснить эту концепцию.
Давайте представим, что у нас есть аудиосигнал, состоящий из идеальной синусоидальной волны 5 кГц. Мы знаем, как выглядит синусоидальная волна во временной области, а в частотной области мы не увидим ничего, кроме частотного «всплеска» на 5 кГц.Теперь предположим, что мы активируем генератор с частотой 500 кГц, который вносит высокочастотный шум в звуковой сигнал.
Сигнал, видимый на осциллографе, по-прежнему будет представлять собой только одну последовательность напряжений с одним значением в момент времени, но сигнал будет выглядеть по-другому, потому что его изменения во временной области теперь должны отражать как синусоидальную волну 5 кГц, так и высокий уровень сигнала. частота шумовых колебаний.
Однако в частотной области синусоидальная волна и шум являются отдельными частотными компонентами, которые одновременно присутствуют в этом одном сигнале.Синусоидальная волна и шум занимают различных частей представления сигнала в частотной области (как показано на диаграмме ниже), и это означает, что мы можем отфильтровать шум, направляя сигнал через схему, которая пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты.
Типы фильтров
Фильтры можно разделить на широкие категории, которые соответствуют общим характеристикам частотной характеристики фильтра .Если фильтр пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты, он называется фильтром нижних частот. Если он блокирует низкие частоты и пропускает высокие частоты, это фильтр высоких частот. Существуют также полосовые фильтры, которые пропускают только относительно узкий диапазон частот, и полосовые фильтры, которые блокируют только относительно узкий диапазон частот.
Фильтры
также можно классифицировать по типам компонентов, которые используются для реализации схемы.В пассивных фильтрах используются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности; эти компоненты не обладают способностью обеспечивать усиление, и, следовательно, пассивный фильтр может только поддерживать или уменьшать амплитуду входного сигнала. С другой стороны, активный фильтр может как фильтровать сигнал, так и применять усиление, поскольку он включает в себя активный компонент, такой как транзистор или операционный усилитель.
Этот активный фильтр нижних частот основан на популярной топологии Саллена – Ки.
В этой статье исследуется анализ и конструкция пассивных фильтров нижних частот. Эти схемы играют важную роль в самых разных системах и приложениях.
RC-фильтр нижних частот
Чтобы создать пассивный фильтр нижних частот, нам нужно объединить резистивный элемент с реактивным элементом. Другими словами, нам нужна схема, состоящая из резистора и конденсатора или катушки индуктивности. Теоретически, топология нижних частот резистор-индуктор (RL) эквивалентна с точки зрения фильтрующей способности топологии нижних частот резистор-конденсатор (RC).Однако на практике гораздо более распространена версия резистора-конденсатора, и, следовательно, остальная часть этой статьи будет сосредоточена на RC-фильтре нижних частот.
RC-фильтр нижних частот.
Как вы можете видеть на диаграмме, низкочастотный отклик RC создается путем размещения резистора последовательно с трактом прохождения сигнала и конденсатора параллельно нагрузке. На схеме нагрузка представляет собой отдельный компонент, но в реальной схеме это может быть что-то гораздо более сложное, например аналого-цифровой преобразователь, усилитель или входной каскад осциллографа, который вы используете для измерения. ответ фильтра.
Мы можем интуитивно проанализировать фильтрующее действие RC-топологии нижних частот, если мы узнаем, что резистор и конденсатор образуют частотно-зависимый делитель напряжения.
RC-фильтр нижних частот перерисован так, чтобы он выглядел как делитель напряжения.
Когда частота входного сигнала низкая, сопротивление конденсатора высокое по сравнению с сопротивлением резистора; таким образом, большая часть входного напряжения падает на конденсатор (и на нагрузку, которая параллельна конденсатору).Когда входная частота высока, сопротивление конденсатора низкое по сравнению с сопротивлением резистора, что означает, что на резисторе падает большее напряжение и меньше передается на нагрузку. Таким образом, низкие частоты пропускаются, а высокие частоты блокируются.
Это качественное объяснение функциональности RC-низкочастотного диапазона является важным первым шагом, но оно не очень полезно, когда нам действительно нужно спроектировать схему, потому что термины «высокая частота» и «низкая частота» чрезвычайно расплывчаты.Инженерам необходимо создавать схемы, которые пропускают и блокируют определенные частоты. Например, в аудиосистеме, описанной выше, мы хотим сохранить сигнал 5 кГц и подавить сигнал 500 кГц. Это означает, что нам нужен фильтр, который переходит от прохода к блокировке где-то между 5 кГц и 500 кГц.
Частота среза
Диапазон частот, для которых фильтр не вызывает значительного затухания, называется полосой пропускания , а диапазон частот, для которых фильтр действительно вызывает значительное затухание, называется полосой задерживания .Аналоговые фильтры, такие как RC-фильтр нижних частот, всегда постепенно переходят от полосы пропускания к полосе задерживания. Это означает, что невозможно определить одну частоту, на которой фильтр перестает пропускать сигналы и начинает блокировать сигналы. Однако инженерам нужен способ удобного и краткого обобщения частотной характеристики фильтра, и именно здесь в игру вступает концепция частоты среза .
Когда вы посмотрите на график частотной характеристики RC-фильтра, вы заметите, что термин «частота среза» не очень точен.Изображение спектра сигнала, «разрезанного» на две половины, одна из которых сохраняется, а другая отбрасывается, неприменимо, потому что затухание постепенно увеличивается по мере того, как частоты перемещаются от нижнего предела к верхнему пределу среза.
Частота среза RC-фильтра нижних частот — это фактически частота, на которой амплитуда входного сигнала уменьшается на 3 дБ (это значение было выбрано, потому что уменьшение амплитуды на 3 дБ соответствует снижению мощности на 50%). Таким образом, частота среза также называется частотой –3 дБ , и на самом деле это название более точное и информативное.Термин полоса пропускания относится к ширине полосы пропускания фильтра, а в случае фильтра нижних частот полоса пропускания равна частоте –3 дБ (как показано на диаграмме ниже).
Эта диаграмма передает общие характеристики частотной характеристики RC-фильтра нижних частот. Полоса пропускания равна частоте –3 дБ.

Как объяснено выше, поведение фильтра нижних частот RC-фильтра вызвано взаимодействием между частотно-независимым импедансом резистора и частотно-зависимым импедансом конденсатора.Чтобы определить детали частотной характеристики фильтра, нам необходимо математически проанализировать взаимосвязь между сопротивлением (R) и емкостью (C), а также мы можем манипулировать этими значениями, чтобы разработать фильтр, который соответствует точным спецификациям. Частота среза (f _C) RC-фильтра нижних частот рассчитывается следующим образом:
Давайте посмотрим на простой пример дизайна. Значения конденсатора более строгие, чем значения резистора, поэтому мы начнем с обычного значения емкости (например, 10 нФ), а затем воспользуемся уравнением для определения требуемого значения сопротивления.Цель состоит в том, чтобы разработать фильтр, который сохранит звуковую волну 5 кГц и отклонит шумовую волну 500 кГц. Мы попробуем установить частоту среза 100 кГц, а позже в статье мы более тщательно проанализируем влияние этого фильтра на две частотные составляющие.
Таким образом, резистор 160 Ом в сочетании с конденсатором 10 нФ даст нам фильтр, который точно соответствует желаемой частотной характеристике.
Расчет чувствительности фильтра
Мы можем рассчитать теоретическое поведение фильтра нижних частот, используя частотно-зависимую версию типичного расчета делителя напряжения.Выход резистивного делителя напряжения выражается следующим образом:
В RC-фильтре используется эквивалентная структура, но вместо R ₂ используется конденсатор. Сначала заменяем R ₂ (в числителе) на реактивное сопротивление конденсатора (X _C). Затем нам нужно рассчитать величину полного импеданса и поместить ее в знаменатель. Таким образом, имеем
Реактивное сопротивление конденсатора указывает величину сопротивления протеканию тока, но, в отличие от сопротивления, величина сопротивления зависит от частоты сигнала, проходящего через конденсатор.Таким образом, мы должны рассчитать реактивное сопротивление на конкретной частоте , и уравнение, которое мы используем для этого, выглядит следующим образом:
В приведенном выше примере конструкции R ≈ 160 Ом и C = 10 нФ. Предположим, что амплитуда V _IN равна 1 В, поэтому мы можем просто исключить V _IN из расчета. Сначала давайте вычислим амплитуду V _OUT на частоте синусоиды:
Амплитуда синусоиды практически не изменилась.Это хорошо, поскольку мы стремились сохранить синусоидальную волну при подавлении шума. Этот результат неудивителен, поскольку мы выбрали частоту среза (100 кГц), которая намного выше, чем частота синусоидальной волны (5 кГц).
Теперь посмотрим, насколько успешно фильтр подавляет шумовую составляющую.
Амплитуда шума составляет всего около 20% от первоначального значения.
Визуализация отклика фильтра
Самый удобный способ оценить влияние фильтра на сигнал — это изучить график частотной характеристики фильтра.Эти графики, часто называемые графиками Боде , имеют величину (в децибелах) по вертикальной оси и частоту по горизонтальной оси; горизонтальная ось обычно имеет логарифмический масштаб, так что физическое расстояние между 1 Гц и 10 Гц совпадает с физическим расстоянием между 10 Гц и 100 Гц, между 100 Гц и 1 кГц и так далее. Эта конфигурация позволяет нам быстро и точно оценить поведение фильтра в очень большом диапазоне частот.
Пример графика частотной характеристики.
Каждая точка на кривой указывает величину выходного сигнала, если входной сигнал имеет амплитуду 1 В и частоту, равную соответствующему значению на горизонтальной оси. Например, когда входная частота равна 1 МГц, выходная амплитуда (при условии, что входная амплитуда 1 В) будет 0,1 В (поскольку –20 дБ соответствует уменьшению в десять раз).
Общая форма этой кривой частотной характеристики станет вам очень знакомой, если вы будете проводить больше времени со схемами фильтров.Кривая в полосе пропускания почти идеально плоская, а затем она начинает падать быстрее, когда входная частота приближается к частоте среза. В конечном итоге скорость изменения затухания, называемая спадом, стабилизируется на уровне 20 дБ / декаду, то есть величина выходного сигнала уменьшается на 20 дБ для каждого десятикратного увеличения входной частоты.
Оценка производительности фильтра нижних частот
Если мы внимательно построим график частотной характеристики фильтра, который мы разработали ранее в этой статье, мы увидим, что амплитудная характеристика на частоте 5 кГц по существу равна 0 дБ (т.е.е., почти нулевое затухание), а амплитуда отклика на частоте 500 кГц составляет приблизительно –14 дБ (что соответствует усилению 0,2). Эти значения согласуются с результатами расчетов, которые мы выполнили в предыдущем разделе.
Поскольку RC-фильтры всегда имеют постепенный переход от полосы пропускания к полосе задерживания и поскольку затухание никогда не достигает бесконечности, мы не можем разработать «идеальный» фильтр, то есть фильтр, который не влияет на синусоидальную волну и полностью устраняет шум.Вместо этого мы всегда идем на компромисс. Если мы переместим частоту среза ближе к 5 кГц, у нас будет большее ослабление шума, но также большее ослабление синусоидальной волны, которую мы хотим отправить в динамик. Если мы переместим частоту среза ближе к 500 кГц, мы получим меньшее затухание на частоте синусоидальной волны, но также меньшее затухание на частоте шума.
Фазовый сдвиг фильтра нижних частот
До сих пор мы обсуждали способ, которым фильтр изменяет амплитуду различных частотных компонентов в сигнале.Однако реактивные элементы схемы всегда вносят фазовый сдвиг в дополнение к эффектам амплитуды.
Понятие фазы относится к значению периодического сигнала в определенный момент в пределах цикла. Таким образом, когда мы говорим, что схема вызывает фазовый сдвиг, мы имеем в виду, что она создает рассогласование между входным и выходным сигналами: входные и выходные сигналы больше не начинают и заканчивают свои циклы в один и тот же момент времени. Значение фазового сдвига, такое как 45 ° или 90 °, указывает, насколько было создано рассогласование.
Каждый реактивный элемент в цепи вносит фазовый сдвиг на 90 °, но этот фазовый сдвиг не происходит сразу. Фаза выходного сигнала, как и величина выходного сигнала, постепенно изменяется с увеличением входной частоты. В RC-фильтре нижних частот у нас есть один реактивный элемент (конденсатор), и, следовательно, схема в конечном итоге внесет фазовый сдвиг на 90 °.
Как и в случае с амплитудной характеристикой, фазовую характеристику проще всего оценить, исследуя график, на котором горизонтальная ось указывает логарифмическую частоту.Описание ниже передает общую картину, а затем вы можете заполнить детали, исследуя сюжет.
Фазовый сдвиг изначально равен 0 °.
Постепенно увеличивается, пока не достигнет 45 ° на частоте среза; во время этой части ответа скорость изменения увеличивается.
После частоты среза фазовый сдвиг продолжает увеличиваться, но скорость изменения уменьшается.
Скорость изменения становится очень маленькой, когда фазовый сдвиг асимптотически приближается к 90 °.
Сплошная линия — характеристика амплитуды, пунктирная линия — фазовая характеристика. Частота среза 100 кГц. Обратите внимание, что фазовый сдвиг составляет 45 ° на частоте среза.
Фильтры нижних частот второго порядка
До сих пор мы предполагали, что RC-фильтр нижних частот состоит из одного резистора и одного конденсатора. Эта конфигурация представляет собой фильтр первого порядка .
«Порядок» пассивного фильтра определяется количеством реактивных элементов — т.е.е., конденсаторы или катушки индуктивности, которые присутствуют в цепи. Фильтр более высокого порядка имеет больше реактивных элементов, и это приводит к большему фазовому сдвигу и более крутому спаду. Эта вторая характеристика является основной мотивацией для увеличения порядка фильтра.
Добавляя один реактивный элемент к фильтру — например, переходя от первого порядка ко второму или от второго порядка к третьему — мы увеличиваем максимальный спад на 20 дБ / декаду. Более крутой спад приводит к более быстрому переходу от низкого затухания к высокому, и это может привести к улучшенным характеристикам, когда сигнал не имеет широкой полосы частот, которая отделяет желаемые частотные компоненты от шумовых компонентов.
Фильтры второго порядка обычно строятся вокруг резонансного контура, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора (эта топология называется «RLC» для обозначения резистор-индуктор-конденсатор). Однако также возможно создание RC-фильтров второго порядка. Как показано на диаграмме ниже, все, что нам нужно сделать, это каскадировать два RC-фильтра первого порядка.
Хотя эта топология определенно создает отклик второго порядка, она широко не используется — как мы увидим в следующем разделе, частотная характеристика часто уступает таковой у активного фильтра второго порядка или RLC второго порядка. фильтр.
Частотная характеристика RC-фильтра второго порядка
Мы можем попытаться создать RC-фильтр нижних частот второго порядка, спроектировав фильтр первого порядка в соответствии с желаемой частотой среза и затем подключив два из этих каскадов первого порядка последовательно. В результате получается фильтр с аналогичной общей частотной характеристикой и максимальным спадом 40 дБ / декада вместо 20 дБ / декада.
Однако, если мы посмотрим на отклик более внимательно, мы увидим, что частота –3 дБ уменьшилась.RC-фильтр второго порядка ведет себя не так, как ожидалось, потому что два каскада не являются независимыми — мы не можем просто соединить эти два каскада вместе и проанализировать схему как фильтр нижних частот первого порядка, за которым следует идентичный фильтр нижних частот первого порядка. фильтр.
Кроме того, даже если мы вставим буфер между двумя каскадами, чтобы первый RC-каскад и второй RC-каскад могли функционировать как независимые фильтры, затухание на исходной частоте среза будет 6 дБ вместо 3 дБ.Это происходит точно , потому что два каскада работают независимо — первый фильтр имеет ослабление 3 дБ на частоте среза, а второй фильтр добавляет еще 3 дБ ослабления.
Основным ограничением RC-фильтра нижних частот второго порядка является то, что разработчик не может точно настроить переход от полосы пропускания к полосе задерживания, регулируя коэффициент добротности фильтра; этот параметр указывает, насколько затухает частотная характеристика.Если вы каскадируете два идентичных RC-фильтра нижних частот, общая передаточная функция соответствует ответу второго порядка, но коэффициент добротности всегда равен 0,5. Когда Q = 0,5, фильтр находится на границе чрезмерного демпфирования, и это приводит к «проседанию» частотной характеристики в переходной области. Активные фильтры второго порядка и фильтры на основе резонанса второго порядка не имеют этого ограничения; разработчик может управлять коэффициентом добротности и тем самым точно настраивать частотную характеристику в переходной области.
Сводка
Все электрические сигналы содержат смесь желаемых частотных составляющих и нежелательных частотных составляющих. Нежелательные частотные составляющие обычно вызваны шумом и помехами, а в некоторых ситуациях они могут отрицательно повлиять на производительность системы.
Фильтр — это схема, которая по-разному реагирует на разные части спектра сигнала. Фильтр нижних частот предназначен для пропускания низкочастотных компонентов и блокировки высокочастотных компонентов.
Частота среза фильтра нижних частот указывает частотную область, в которой фильтр переходит от низкого затухания к значительному затуханию.
Выходное напряжение RC-фильтра нижних частот можно рассчитать, рассматривая схему как делитель напряжения, состоящий из (частотно-независимого) сопротивления и (частотно-зависимого) реактивного сопротивления.
График зависимости амплитуды (в дБ по вертикальной оси) от логарифмической частоты (в герцах по горизонтальной оси) — удобный и эффективный способ изучить теоретическое поведение фильтра.Вы также можете использовать график зависимости фазы от логарифмической частоты, чтобы определить величину сдвига фазы, которая будет применена к входному сигналу.
Фильтр второго порядка обеспечивает более крутой спад; этот ответ второго порядка полезен, когда сигнал не обеспечивает широкой полосы разделения между желательными частотными компонентами и нежелательными частотными компонентами.
Вы можете создать RC-фильтр нижних частот второго порядка, построив два идентичных RC-фильтра нижних частот первого порядка, а затем подключив выход одного к входу другого.Общая частота –3 дБ будет ниже ожидаемой.
Фильтры нижних частот — обзор
FLPF можно получить при заказе α , если константы были настроены так, чтобы a = K _d = K _I = 0. Фильтр TF может быть записан следующим образом:
(44) Td (s) = Kpke − Lsbsα + 1 + Kpke − Ls
, где его амплитуда отклика может быть описана уравнением. (45):
(45) | Td (jω) | = Kpkb2ω2α + 2bKpkcosαπ2 + ωL + cosαπ2ωα + k1
, где k1 = (Kpk) 2 + 1 + 2KpkcosωL.На рис.21 показаны амплитуда и фазовые характеристики задержанного TF для FLPF для различных значений параметра задержки L = 0,02, 0,04 и случаев отсутствия задержки для α = 0,6, K _p k = 0,2, b = 1. На фазу влияет параметр задержки, когда возникают колебания из-за членов e ^{— Ls}, как показано на рис. 21. Половинная мощность, максимальная, а частота правой фазы для задержанного FLPF порядка α может быть представлена следующим образом:
Рис.21. Амплитудный отклик ФЛПФ порядка α для различных значений параметра задержки для α = 0,8.
(46a) b2ωh3α + 2bKpkcosαπ2 + ωhL + cosαπ2ωhα− (Kpk) 2−1 + 2KpkcosωhL − 2 = 0
(46b) αb2ωm2α + αbKpkcosαπ2 + ωmL + cosαπ2Ksαπ2 + ωmL + cosαπ2000 Ksαπ2 + ωmL + cosαπ2000 46c) bωrpαcosαπ2 + ωrpL + 1 + KpkcosωrpL = 0
Параметры задержки также влияют на критические частоты, как показано на рис. 22. Он также показывает абсолютную ошибку относительно параметра фильтра без задержки.
Рис. 22. Влияние параметра задержки на половинную частоту (A) и максимальную частоту (B).
Задержанный FHPF с порядком α можно получить, настроив константы как a = K _p = K _I = 0, где TF можно записать как:
(47) Td (s) = Kdke − Lssαb + Kdke − Lssα + 1
Его величина отклика может быть записана как:
(48) | Td (jω) | = Kdkωαk1ω2α + 2Kdkcosαπ2 − ωL + bcosαπ2ωα + 1
где k1 = b2 + (Kdk) 2 + 2bKdkcosαπ − ωL.Влияние параметра задержки L на характеристику фильтра показано на фиг. 23, где колебания возрастают с L . На высокую частоту влияет параметр задержки, в отличие от низкой частоты, которая дает идентичный отклик фильтру без задержки.
Рис. 23. Влияние параметров задержки для α = 0,6 на FHPF.
Критические частоты фильтра могут быть найдены следующим образом:
(49a) (b2 + (Kdk) 2 + 2bKdk (2 − cos (απ − ωhL))) ωh3α − 2Kdkcosαπ2 − ωhL + bcosαπ2ωhα − 1 = 0
(49b) Kdkcosαπ2 − ωmL + bcosαπ2ωmα + 1 = 0
(49c) bcosωrpL + Kdkωrpα + cosαπ2 − ωrpL = 0
Для L = 0 задержки больше нет и получаются обычные фильтры.Например, L = 0, a = 0, b = 0, kK _p = −0,5, K _d = 0, FAPF с заказом α получается с TF, описанным как:
(50) Td (s) = Kpksα + KIk1 + Kpksα + KIk
RC фильтр нижних частот, онлайн-калькулятор
Формулы для RC-фильтра нижних частот
Рассчитать коэффициент напряжений
Выходное напряжение U ₂ RC-цепочки нижних частот рассчитывается по следующей формуле.2}} \)
\ (\ Displaystyle X_C = \ гидроразрыва {1} {2 π · е · C} \)
Затухание в децибелах
На резонансной частоте затухание составляет 3 дБ. Если входное и выходное напряжение известны, затухание для всех частот можно легко рассчитать по следующей формуле.
\ (\ Displaystyle V_u = 20 · lg \ влево (\ гидроразрыва {U_2} {U_1} \ right) \)
Если напряжения неизвестны, используется следующая формула.2}} \ справа) \)
Фазовый сдвиг
В нижнем проходе RC выходное напряжение отстает от входного на 0 ° — 90 °, в зависимости от частоты. На резонансной частоте фазовый сдвиг -45 °. На низких частотах он стремится к 0. На высоких частотах сдвиг фазы в сторону -90 °. Фазовый сдвиг можно рассчитать по следующей формуле.

\ (\ Displaystyle φ = acos \ влево (\ гидроразрыва {U_2} {U_1} \ вправо)) \)
\ (\ Displaystyle φ = arctan (ω · R · C) \)

Частота среза
На предельной частоте f _g bzw.ω _g значение амплитудно-частотной характеристики (т. 2} \)

Текущий
\ (\ Displaystyle I = \ гидроразрыва {U} {Z} \)

Напряжение рестистора
\ (\ Displaystyle U_R = R · I \)

Фильтры нижних частот | Analog Devices
Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности.Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.
Принять и продолжить Принять и продолжить
Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:
Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Целевые / профилирующие файлы cookie:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Отклонить файлы cookie
Фильтры низких и высоких частот [Analog Devices Wiki]
Цель:
Целью этой лабораторной работы является изучение характеристик пассивных фильтров путем получения частотной характеристики RC-фильтра нижних частот и RL-фильтра верхних частот.
Заметки:
Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования. Зеленые заштрихованные прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Контакты аналогового канала ввода / вывода обозначаются как CA и CB. При настройке для принудительного измерения напряжения / измерения тока — В, добавляется, как в CA-, V или когда настроено для принудительного измерения тока / измерения напряжения, добавляется -I, как в CA-I.Когда канал настроен в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения, -H добавляется как CA-H.
Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению / току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.
Фон:
Импеданс катушки индуктивности пропорционален частоте, а импеданс конденсатора обратно пропорционален частоте. Эти характеристики могут использоваться для выбора или отклонения определенных частот входного сигнала.Этот выбор и отклонение частот называется фильтрацией, а схема, которая выполняет это, называется фильтром.
Рисунок 1: RC-фильтр нижних частот.
Рисунок 2: фильтр верхних частот RL.
Если фильтр пропускает высокие частоты и отклоняет низкие частоты, то это фильтр верхних частот. И наоборот, если он пропускает низкие частоты и отклоняет высокие, это фильтр нижних частот. Фильтры, как и большинство вещей, не идеальны. Они абсолютно не пропускают одни частоты и абсолютно отвергают другие.Частота считается пройденной, если ее величина (амплитуда напряжения) находится в пределах 70% или 1 / sqrt (2) от максимальной пройденной амплитуды, и отклоняется в противном случае. Частота 70% называется угловой частотой, частотой спада или частотой половинной мощности.
Угловые частоты для RC-фильтра и RL-фильтра следующие:
Для фильтров RC:
(1)
Для фильтров RL:
(2)
Частотная характеристика: это график зависимости выходного напряжения фильтра от частоты.Обычно он используется для характеристики диапазона частот, в котором предназначен фильтр.
Рисунок 3: Частотная характеристика типичного фильтра нижних частот с частотой среза f _c
Материалы:
Аппаратный модуль ADALM1000
Резисторы (1 кОм)
Конденсатор (1 мкФ)
Индуктор (22 мГн)
Процедура:
A. RC-фильтр нижних частот:
Рисунок 4: Соединения макетной платы низкочастотного RC-фильтра.
1. Установите RC-цепь, как показано на рисунке 1, на беспаечной макетной плате со значениями компонентов R ₁ = 1 кОм, C ₁ = 1 мкФ.
2. Установите минимальное значение AWG канала A на 0,5 и максимальное значение на 4,5 В, чтобы подать синусоидальную волну 4 В (размах) с центром на 2,5 В в качестве входного напряжения в цепи. В раскрывающемся меню AWG A Mode выберите режим SVMI. В раскрывающемся меню AWG A Shape выберите Sine. В раскрывающемся меню AWG B Mode выберите режим Hi-Z.
3. В раскрывающемся меню «Кривые ALICE» выберите для отображения CA- V и CB- V . В раскрывающемся меню «Триггер» выберите «CA- V » и «Автоматический уровень». Установите Hold Off на 2 (мсек). Отрегулируйте развертку до тех пор, пока на сетке дисплея не будет примерно двух периодов синусоидальной волны. В раскрывающемся меню Meas CA выберите P-P в CA- V и сделайте то же самое для CB. Также в меню Meas CA выберите A-B Phase.
4. Начните с низкой частоты, 50 Гц, и измерьте выходное напряжение CB- V от пика до пика на экране осциллографа.Он должен быть таким же, как выход канала А. Увеличивайте частоту канала A небольшими приращениями до тех пор, пока пиковое напряжение канала B не станет примерно в 0,7 раза больше пикового напряжения для канала A. Вычислите 70% от Vp-p и получите частоту, при которой это происходит на Осциллограф. Это дает частоту среза (спада) для сконструированного RC-фильтра нижних частот.
Б. Фильтр верхних частот RL
Рисунок 5: Соединения макетной платы фильтра верхних частот RL.
1. Настройте цепь RL, как показано на рисунке 2, на беспаечной макетной плате со значениями компонентов R ₁ = 1 кОм, L = 20 мГн.
2. Повторите шаги 2 и 3, как в Части A, чтобы получить осциллограф.
3. Начните с высокой частоты 20 кГц и измерьте выходное напряжение CB- V от пика до пика на экране осциллографа. Он должен быть таким же, как выход канала А. Уменьшайте частоту канала A небольшими приращениями, пока пиковое напряжение канала B не станет примерно 0.В 7 раз больше напряжения от пика до пика для канала A. Вычислите 70% от Vp-p и получите частоту, при которой это происходит на осциллографе. Это дает частоту среза (спада) для сконструированного фильтра верхних частот RL.
Вопросы:
Рассчитайте частоты среза для RC-фильтра нижних частот и RL-фильтра верхних частот, используя уравнения (1) и (2). Сравните вычисленные теоретические значения с полученными в результате экспериментальных измерений и дайте подходящее объяснение любых различий.
Приложение, Графики частотных характеристик с плоттером ALICE Bode
Настольное программное обеспечение для построения графиков Боде ALICE может значительно упростить построение графиков частотных и фазовых характеристик. Используя RC-цепь нижних частот на рисунке 1, с R ₁ = 100 Ом и C ₁ = 1,0 мкФ, мы можем развернуть входную частоту от 10 Гц до 5000 Гц и построить график амплитуды сигнала обоих каналов A и B. и относительный фазовый угол между каналами B и A.
Со схемой, подключенной к ALM1000, как показано на рисунке 1, запустите программное обеспечение рабочего стола ALICE.Откройте плоттер Боде.
В меню Curves выберите CA-dBV, CB-dBV и Phase B-A.
В раскрывающемся меню «Параметры» нажмите Cut-DC, чтобы выбрать его.
Установите минимальное значение канала A AWG на 1,086 и максимальное значение на 3,914. Это будет амплитуда 1 В (среднеквадр.) (0 дБВ) с центром в середине 2,5 В диапазона аналогового входа. Установите режим AWG A на SVMI и Shape на Sine. Установите канал B AWG в режим Hi-Z. Убедитесь, что установлен флажок Sync AWG.
Используйте запись Start Frequency, чтобы установить развертку частоты, чтобы она начиналась с 100 Гц, и используйте запись Stop Frequency, чтобы развернуть развертку, чтобы остановиться на 20000 Гц.Выберите CHA в качестве канала для развертки. Также используйте кнопку Sweep Steps, чтобы ввести количество шагов частоты, используйте 100 в качестве числа.
Теперь вы должны иметь возможность нажать зеленую кнопку Run и запустить развертку частоты. После завершения развертки вы должны увидеть что-то вроде снимка экрана на рисунке A1. Вы можете использовать кнопки LVL и dB / div, чтобы оптимизировать графики для наилучшего соответствия экранной сетке.
Рисунок A1, Частотная развертка от 100 Гц до 20000 Гц
Ресурсов:
Для дальнейшего чтения:
Руководство пользователя настольного ПК ALICE
Вернуться к содержанию «Введение в деятельность лаборатории электротехники»
Вернуться к содержанию лабораторной работы цепей
университет / курсы / alm1k / circuit1 / alm-cir-8.txt · Последнее изменение: 25 июня 2020 г., 22:07 (внешнее редактирование)
Что такое фильтр нижних частот и как работают фильтры низких частот? — Мой новый микрофон
Изучая и практикуясь в производстве музыки или звукорежиссуры, вы обязательно столкнетесь с фильтрами нижних частот. Фильтры нижних частот — это мощные инструменты, которые используются при эквализации и в общем звуковом дизайне.
Что такое фильтр нижних частот? Фильтр нижних частот (LPF) — это процессор аудиосигнала, который удаляет нежелательные частоты из сигнала выше определенной частоты среза.Он постепенно отфильтровывает (ослабляет) верхние частоты выше его частоты среза, позволяя проходить нижним частотам, в идеале без каких-либо изменений.
В этой статье мы подробно рассмотрим фильтры нижних частот, расскажем, как они работают, как они устроены и как они используются не только в эквалайзере, но и в других приложениях, связанных со звуком.
По завершении этой статьи я понял, насколько глубока теория фильтров. Стремясь сделать эту статью краткой (она все еще превышает 6000 слов), я включил только самую важную информацию о звуковых фильтрах нижних частот.Пожалуйста, используйте оглавление, чтобы обойти это руководство!
Содержание
Что такое фильтр нижних частот?
Первый абзац ответа — достойное определение фильтра нижних частот, но он оставляет многое для объяснения. Итак, давайте обсудим, что такое фильтр нижних частот и как он работает, начиная с основ.
Итак, мы знаем, что фильтр нижних частот пропускает низкие частоты ниже определенной точки среза, отсюда и название.Фильтры нижних частот иногда называют фильтрами верхних частот, название которых изображает обрезание высоких частот выше определенной точки среза.
Идеальный фильтр нижних частот
В идеале, мы бы хотели, чтобы наш фильтр нижних частот просто отсекал все частоты выше его частоты среза и оставлял все частоты ниже его частоты среза нетронутыми. Этот тип фильтра нижних частот типа «кирпичной стены» недоступен на практике, но теоретически он будет выглядеть так:
На этой простой диаграмме у нас есть частота (в герцах) по оси абсцисс и относительная амплитуда (в децибелах) по оси ординат.
Герц означает количество циклов в секунду. Поскольку аудиосигналы являются сигналами переменного тока, они имеют циклическую форму волны. При преобразовании в звуковые волны эти формы волны можно услышать как колеблющиеся молекулы воздуха. Общепринятый диапазон слышимости людей составляет от 20 Гц до 20 000 Гц. Таким образом, большинство аудиосигналов попадают в этот диапазон (во избежание обилия непонятной информации).
Децибелы (десятая часть бел) — это относительные единицы измерения, используемые для выражения отношения одной величины к другой в логарифмической шкале.Что касается амплитуды сигнала, разница в 3 дБ будет представлять собой удвоение / уменьшение вдвое значений мощности (мощности и, в конечном итоге, интенсивности звука), а разница в 6 дБ будет удвоением / уменьшением вдвое основных величин мощности (напряжение / ток и, в конечном итоге, уровень звукового давления). ).
Статьи по теме:
• Что такое децибелы? Полное руководство по дБ для аудио и звука
• Единицы измерения и префиксы в звуковой и аудиоэлектронике
На графике выше мы имеем резкую частоту среза на уровне 1 кГц.Никакие частоты выше этого среза не передаются, и все частоты ниже этого среза передаются безупречно.
Хотя это невозможно получить аналоговыми или цифровыми средствами, существуют способы приблизить этот тип фильтра нижних частот.
В аналоговых ФНЧ увеличение порядка фильтрации приближает нас к крутизне идеального фильтра около частоты среза.
Цифровые фильтры
In можно также запрограммировать для приближения к такому идеальному «кирпичному» фильтру.
Подробнее об этом позже.
Реальные фильтры нижних частот
Хотя мы можем довольно близко подойти к идеальным ФНЧ, обычно у нас будет какой-то спад после частоты среза, а не строгий срез.
Таким образом, типичный фильтр нижних частот можно легко визуализировать на следующей диаграмме эквалайзера:
Мы можем видеть на изображении, что выше определенной частоты фильтр начинает ослаблять / фильтровать частоты с устойчивым отрицательным наклоном (амплитуда уменьшается по мере увеличения частоты).Мы также замечаем определенную частоту f _H, которая является частотой среза (я определяю ее как f _H для «высокой частоты среза», а не f _C, которую можно спутать с «центром». частота в других типах фильтров).
Обратите внимание, что частота среза не возникает сразу после начала фильтрации. Скорее, частота среза представляет собой точку -3 дБ затухания фильтра. Как мы вкратце обсуждали, это частота, на которой фильтр снижает мощность сигнала вдвое.Это определение частоты среза используется в фильтрах нижних и верхних частот, полосовых и других фильтрах.
Полоса пропускания, задержка и переходная полоса LPF
Обратите внимание, что технически фильтр нижних частот будет иметь полосу пропускания (диапазон пропускаемых частот), которая находится в диапазоне от 0 Гц до частоты среза.
Полоса задерживания будет в какой-то момент за полосой пропускания, когда затухание достигнет достаточной точки (например, -50 дБ). В идеальном фильтре полоса пропускания идет до частоты среза, а полоса задерживания — это все, что выше этой частоты среза.Однако в реальных условиях фильтры нижних частот работают немного иначе.
LPF обычно имеют полосу перехода между полосой пропускания и полосой задерживания, где фильтр будет эффективно уменьшать амплитуду сигнала. Ширина полосы перехода зависит от крутизны спада, которая определяется порядком и типом фильтра.
ФНЧ Заказ
Фильтры часто определяются их порядком. В простых фильтрах, таких как ФНЧ и ФВЧ, порядок фильтра в значительной степени относится к крутизне переходной полосы (также известной как скорость спада).
Технически порядок фильтра — это минимальное количество реактивных элементов, используемых в цепи. В аналоговых звуковых фильтрах нижних частот эти реактивные элементы почти всегда будут конденсаторами (хотя в определенных ситуациях могут использоваться катушки индуктивности). Мы обсудим это позже в разделе «Аналоговые против». Цифровые фильтры нижних частот.
Итак, порядок фильтра нижних частот по определению является целым числом (мы не можем иметь долю реактивного компонента в цепи), и он влияет на крутизну спада переходной полосы фильтра.
Для стандартных фильтров нижних частот Баттерворта каждое целое число увеличивает крутизну спада на дополнительные 6 дБ на октаву или 20 дБ на декаду.
Обратите внимание, что октава определяется как удвоение (или уменьшение вдвое) частоты, а декада определяется как десятикратное увеличение (или уменьшение) частоты.
Также обратите внимание, что стандартный фильтр Баттерворта поддерживает указанную выше взаимосвязь между порядком и скоростью спада. Другие типы фильтров предлагают другие отношения.Подробнее об этом позже.
А пока давайте рассмотрим следующий график, который показывает 5 различных фильтров нижних частот Баттерворта с порядками от 1 до 5:
Частота среза (точка -3 дБ) каждого фильтра составляет 1 кГц. Скорость спада и переходная полоса (которая может быть ограничена отметкой ослабления -50 дБ) изменяются в зависимости от порядка фильтра.
Мы видим, что по мере увеличения порядка фильтр нижних частот становится все ближе к идеальному фильтру.
Коэффициент добротности фильтра нижних частот
Некоторые фильтры нижних частот имеют регулировку добротности. Это особенно касается плагинов параметрического эквалайзера и блоков цифрового эквалайзера, где фильтр не предназначен для какого-либо определенного типа (Баттерворта, Бесселя, Чебышева, Эллиптического и т. Д.).
Для получения дополнительной информации о параметрическом эквалайзере ознакомьтесь с моей статьей «Полное руководство по параметрической эквализации / эквалайзеру».
Коэффициент добротности несколько произвольный. Хотя у него есть свои определения, у многих производителей есть свои собственные технические расчеты для параметра Q.
Однако, в общем смысле, увеличение добротности ФНЧ приведет к увеличению крутизны спада, вызывая формирование резонансного пика на частоте среза и выше.
И наоборот, уменьшение добротности ФНЧ увеличит затухание на частоте среза и выше, в то же время делая крутизну спада более плавной.
Эквалайзеры, которые предлагают регулировку Q-фактора на фильтре нижних частот, обычно имеют график, показывающий, как фильтр влияет на сигнал.
Фильтры нижних частот и фазовый сдвиг
Важно отметить, что в типичных аналоговых фильтрах, таких как стандартный фильтр Баттерворта, будет частотно-зависимый фазовый сдвиг между входным сигналом фильтра / эквалайзера и его выходным сигналом.
Вообще говоря, каждый реактивный компонент в аналоговом фильтре вносит в сигнал фазовый сдвиг на 90 °. Для аналоговых фильтров нижних частот (и цифровых фильтров, которые стремятся воссоздать их в цифровом виде) это означает, что при целочисленном увеличении порядка фильтрации будет происходить сдвиг фазы на 90 °.
В стандартных фильтрах нижних частот Баттерворта половина общего фазового сдвига приходится на частоту среза.
Вот визуальное представление фильтра нижних частот Баттерворта первого порядка с графиками амплитуды-частоты и фазы-частоты:
Аналог Vs. Цифровые фильтры нижних частот
Ключевое различие между аналоговыми и цифровыми фильтрами нижних частот заключается в том, что аналоговые фильтры работают с аналоговыми аудиосигналами, а цифровые фильтры работают с цифровыми аудиосигналами.
Аналоговые аудио схемы LPF используют аналоговые компоненты, такие как резисторы и конденсаторы (в активных схемах LPF используются активные компоненты, такие как операционные усилители). С другой стороны, цифровые фильтры LPF либо встроены в микросхемы цифровых микросхем, либо в программное обеспечение.
Давайте обсудим каждую подробнее, не так ли?
Аналоговые фильтры нижних частот
Аналоговые фильтры проще объяснить, поскольку они сделаны из реальных аналоговых схем, которые относительно легко понять.Обратите внимание, что я не инженер-электрик, и цифровые схемы / программирование выходят за рамки моих знаний.
Итак, в этой статье я постараюсь объяснить, как работают аналоговые фильтры нижних частот. Обратите внимание, что многие цифровые фильтры нижних частот предназначены для воссоздания эффекта аналоговых ФНЧ.
В объяснении будет много уравнений, которые нужно пройти, чтобы помочь нам понять.
Чтобы действительно понять основы работы фильтра нижних частот, мы можем изучить простой пассивный RC LPF первого порядка.Этот фильтр можно визуализировать с помощью следующего изображения. Обратите внимание, что «RC» относится к резистору и конденсатору, используемым в схеме.
Цепь выше можно представить как делитель напряжения:
На схеме выше мы выводим следующую формулу:
Из этой формулы можно сделать вывод, что по мере увеличения R ₂ V _из увеличивается (при условии, что R ₁ остается постоянным). Запомни это.
В этом уравнении делителя напряжения постоянного тока R ₁ представляет сопротивление резистора, который будет вместо резистора RC-цепи, а R ₂ представляет сопротивление резистора, который будет вместо конденсатора RC-цепь.Имейте это в виду.
Допустим, аудиосигнал на V _в имеет частотное содержание от 20 Гц до 20 000 Гц (диапазон слышимости человека). Это сигнал переменного тока, а не постоянного тока. Сигналы переменного тока зависят от импеданса, который имеет как фазу, так и величину и состоит из сопротивления и реактивного сопротивления цепи.
В идеальном мире (который мы будем использовать, чтобы понять RC-фильтры нижних частот) реактивное сопротивление резистора равно нулю, а сопротивление конденсатора равно нулю.Резистор будет обеспечивать составляющую сопротивления для общего импеданса аудиосигнала, а конденсатор будет составлять составляющую реактивного сопротивления для общего импеданса аудиосигнала.
Итак, со следующей упрощенной схемой RC-фильтра нижних частот:
У нас получилось бы следующее уравнение:
Где:
• X _C — емкостное сопротивление конденсатора
• Z — полное сопротивление цепи
Помните, что полное сопротивление складывается из компонентов сопротивления и реактивного сопротивления цепи.Типичная формула импеданса:
Где X _L — индуктивная емкость. Поскольку в RC-цепи нет индуктора, X _L равно нулю.
Давайте быстро перепишем наше выходное напряжение RC с новой информацией:
Знакомо? Это почти то же самое, что и простой делитель напряжения.
Итак, наш RC-фильтр нижних частот можно сравнить с делителем напряжения, но для аудиосигналов переменного тока. По мере увеличения X _C, также увеличивается V _из (опять же, при условии, что R остается постоянным).
Как он на самом деле работает как фильтр нижних частот? Что ж, реактивная емкость уменьшается с увеличением частоты входного сигнала. Формула для этого выглядит следующим образом:
Где:
• f — частота сигнала
• C — емкость конденсатора
Итак, мы имеем следующие правила RC-цепи нижних частот:
По мере увеличения частоты емкостное реактивное сопротивление уменьшается
По мере уменьшения емкостного реактивного сопротивления уровень выходного сигнала уменьшается относительно уровня входного сигнала (при условии, что сопротивление цепи остается прежним)
В основном, как емкостное реактивное сопротивление уменьшается (по мере увеличения частоты), большая часть сигнала отправляется на землю, а не на выход.
Следовательно, в общем случае RC-цепь нижних частот начнет ослаблять более высокие частоты, и по мере увеличения частоты схема будет ослаблять больше.
Мы уже обсуждали частоту среза. Это точка, в которой полоса пропускания превращается в полосу перехода (или полосу задерживания в идеальных фильтрах). Частота среза находится в точке затухания -3 дБ. Его можно рассчитать по следующей формуле:
Где:
• R — сопротивление резистора
• C — емкость конденсатора
В качестве дополнительного уравнения мы можем вычислить вышеупомянутый фазовый сдвиг RC-фильтра нижних частот с помощью следующего уравнения:
Надеюсь, в этом есть смысл.Здесь мы рассмотрим самую простую форму аналогового RC-фильтра нижних частот.
Аналоговые фильтры, как правило, просты по конструкции, хотя их сложность увеличивается по мере приближения к характеристикам «идеального фильтра». Многие цифровые фильтры (включая плагины EQ) эмулируют эти аналоговые фильтры.
Помните, что, добавляя дополнительные наборы RC (увеличивая порядок) фильтра нижних частот, мы можем эффективно увеличить крутизну спада и сократить полосу перехода.
Существует множество типов фильтров, о которых следует знать.До сих пор мы в основном сосредоточились на популярном фильтре Баттерворта. Однако есть 3 основных типа фильтров (среди многих), о которых мы должны знать, когда дело касается звука. Их:
Фильтр Баттерворта
Фильтр Бесселя
Фильтр Чебышева
Эти «типы» фильтров зависят от значений компонентов, используемых в конструкции фильтра, и коэффициента демпфирования, который входит в конструкцию фильтра. Изучение схем отдельных ФНЧ выходит за рамки данной статьи, но об этих популярных типах стоит знать.
Что такое фильтр Баттерворта в аудио? Фильтр Баттерворта (фильтр с максимально плоской амплитудой) — это линейный аналоговый фильтр, предназначенный для получения максимально плоской частотной характеристики в полосе пропускания. Фильтры Баттерворта не имеют слишком крутого спада и часто используются в полочных фильтрах низких / высоких частот и низких / высоких частот.
Чтобы узнать больше о полочных фильтрах, ознакомьтесь с моей статьей Audio Shelving EQ: Что такое фильтры для низких и высоких полок?
Что такое фильтр Бесселя в аудио? Фильтр Бесселя — это линейный аналоговый фильтр с максимально плоской групповой или фазовой характеристикой для сохранения формы волны сигналов в полосе пропускания.Фильтры Бесселя обеспечивают плавный спад частоты за пределами частоты среза и в основном предназначены для линейной фазовой характеристики с небольшим выбросом.
Что такое фильтр Чебышева в аудио? Фильтр Чебышева — это линейный аналоговый фильтр , предназначенный для очень крутого спада за счет пульсации полосы пропускания (тип I) или пульсации полосы задерживания (тип II / инверсия).
Вот изображение из Википедии, показывающее типичные различия между фильтрами нижних частот Баттерворта, Чебышева I / II и эллиптическими фильтрами нижних частот:
Обратите внимание, что эллиптический фильтр (также известный как фильтр Кауэра) представляет собой линейный аналоговый фильтр с выравниваемой пульсацией как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания.У него очень крутая переходная полоса. Это достигается за счет комбинирования фильтра нижних частот и полосового / режекторного фильтра.
Цифровые фильтры нижних частот
Цифровые фильтры часто бывают более точными и более гибкими по конструкции из-за обширной природы цифровой обработки сигналов (DSP). Точность их конструкции делает их намного более точными по заданным параметрам, тогда как аналоговые фильтры несколько ограничены точностью их компонентов и тракта прохождения сигнала в целом.
Цифровые фильтры
также обладают такими преимуществами, как улучшенное соотношение цены и качества и более постоянный характер изменений температуры и влажности.
Аналоговые фильтры, конечно, выигрывают от работы с непрерывным спектром.
Обратите внимание, что некоторые цифровые фильтры нижних частот предназначены для имитации работы аналоговых ФНЧ. Мы часто находим упомянутые ранее типы фильтров (Баттерворта, Бесселя, Чебышева и т. Д.) В цифровых дизайнах.
Вместо использования аналоговых компонентов (конденсаторы, резисторы, операционные усилители и т. Д.)) цифровые схемы будут встроены в цифровые микросхемы (с сумматорами, вычитателями, задержками и т. д.) или, в качестве альтернативы, могут быть запрограммированы в аудиоплагины.
Цифровой фильтр нижних частот впишется в один из двух лагерей:
Бесконечная импульсная характеристика (БИХ)
Конечная импульсная характеристика (КИХ)
Что такое фильтр с бесконечной импульсной характеристикой в аудио? БИХ-фильтр — это линейный, не зависящий от времени аналоговый тип фильтра (который также был оцифрован), который работает с импульсной характеристикой, которая продолжается бесконечно, никогда не становясь точно равной нулю.Фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя и эллиптические фильтры являются примерами БИХ-фильтров.
Что такое фильтр с конечной импульсной характеристикой в аудио? КИХ-фильтр — это фильтр (аналоговый или цифровой, хотя почти всегда цифровой), который работает с импульсной характеристикой конечной длительности, устанавливающейся на ноль в течение некоторого промежутка времени. Он хорошо подходит для линейно-фазового эквалайзера.
Говоря о линейно-фазовом эквалайзере, стоит упомянуть и об этих специализированных эквалайзерах.
Линейный фазовый эквалайзер (который почти всегда будет иметь опции фильтра нижних частот) эффективно устраняет любой фазовый сдвиг в аудиопроцессоре.
Вспомните в разделе «Фильтры нижних частот и фазовый сдвиг», как мы обсуждали неизбежный фазовый сдвиг аналоговых ФНЧ (фазовый сдвиг на 90º для каждого реактивного компонента в цепи).
Линейный фазовый эквалайзер (и фильтр нижних частот) использует цифровую обработку сигнала (DSP) для анализа частотного содержания сигнала и применения усиления к соответствующим частотам через фильтры FIR (конечный импульсный отклик), чтобы исключить любой сдвиг фазы. что возникает.
Liny EQ от Blue Cat (ссылка, чтобы узнать цену в магазине плагинов) — отличный пример плагина линейного фазового эквалайзера:
Линия эквалайзера синего кота
Для получения дополнительной информации о линейно-фазовом эквалайзере ознакомьтесь с моей статьей «Полное руководство по линейной фазовой эквализации / эквалайзеру».
Резюме по аналоговым и цифровым фильтрам нижних частот
Вот небольшая таблица, обобщающая то, что мы обсуждали в этом разделе.
Аналоговый аудио LPF Цифровой аудио LPF
Фильтрует аналоговые (непрерывные) аудиосигналы Фильтрует цифровые (дискретные) аудиосигналы
Изготовлен из аналоговых компонентов Встроен в цифровые микросхемы (с сумматорами, вычитателями, задержками и т. Д.)), или;
Закодировано в ПО
Ограниченные функциональные возможности и адаптируемость Более универсальные возможности программирования
Более чувствителен к изменениям окружающей среды Менее чувствителен к изменениям окружающей среды
Аналоговые компоненты создают тепловой шум Квантование вносит цифровой шум
Более высокие производственные затраты Более низкие производственные затраты
Активно Vs.Пассивные фильтры нижних частот
Ключевое различие между активными и пассивными фильтрами нижних частот заключается в том, что активные фильтры нижних частот требуют мощности для работы, а пассивные фильтры нижних частот — нет.
Это связано с тем, что в цепи активных ФНЧ будет какой-то усилитель. Эти усилители (часто операционные усилители) получают питание от источника и используют его для усиления сигнала, проходящего через фильтр нижних частот или звуковой эквалайзер.
Обратите внимание, что метки «активный» и «пассивный» обычно применяются только к аналоговым фильтрам.Цифровые фильтры по своей конструкции активны (это относится к оборудованию, которое построено на транзисторах и программном обеспечении, требующем вычислений).
С этим праймером давайте обсудим активный и пассивный фильтры нижних частот более подробно, начав с более простого: пассивного ФНЧ.
Пассивные фильтры нижних частот
В моем объяснении аналоговых фильтров нижних частот я сосредоточился исключительно на схеме пассивного RC-фильтра нижних частот. Итак, у нас уже есть четкое представление о пассивных фильтрах нижних частот.
Опять же, самый простой пассивный фильтр нижних частот первого порядка выглядит примерно так:
Обратите внимание, что мы можем увеличить скорость спада пассивного фильтра, добавив полюса. Однако это происходит за счет потери амплитуды сигнала (поскольку в схеме нет каскадов усиления) и ухудшается передача сигнала внутри схемы из-за плохого импедансного моста (поскольку нет буфера между полюсами или на выходе ФНЧ).
Пассивные фильтры нижних частот просты для понимания.К счастью, поскольку им поручено только срезать частоты (выше частоты среза), они не обязательно нуждаются в активном усилении.
Однако, как уже упоминалось, пассивный ФНЧ может работать плохо, поскольку он естественным образом снижает амплитуду проходящего через него сигнала (даже на нижних частотах). Также труднее найти надлежащий мостовой импеданс между выходом пассивного LPF и следующим аудиоустройством (нагрузкой).
Пассивные фильтры нижних частот все еще используются в определенных приложениях, и на рынке есть даже блоки пассивного эквалайзера, которые по определению будут иметь пассивные фильтры нижних частот (если они включают фильтр нижних частот).
Обратите внимание, что в пассивных эквалайзерах есть каскад усиления для «компенсационного усиления» после схемы (схем) фильтра. Просто в схеме (ах) фильтра нет активных компонентов.
Для получения дополнительной информации об усилении макияжа и пассивном эквалайзере, ознакомьтесь со следующими статьями «Мой новый микрофон», соответственно:
• Сжатие динамического диапазона: что такое регулировка усиления макияжа?
• Полное руководство по пассивной эквализации / EQ
Активные фильтры нижних частот
Чаще всего используется активный фильтр нижних частот.
В активных аналоговых фильтрах нижних частот обычно используются операционные усилители. Эти операционные усилители полезны для фильтров с единичным усилением (фильтров, которые поддерживают амплитуду сигнала, но не увеличивают амплитуду сигнала) и фильтров, которые действительно обеспечивают правильный каскад усиления.
Это усиление позволяет разработчикам ФНЧ увеличить порядок фильтра, тем самым увеличивая крутизну спада, не беспокоясь о потере общей амплитуды сигнала.
Еще одним огромным преимуществом активной конструкции LPF является улучшение выходного сопротивления фильтра.Включив операционный усилитель, мы можем установить низкий выходной импеданс на всех частотах для улучшения передачи сигнала между LPF и следующим аудиоустройством.
Вот пример активного RC-фильтра нижних частот первого порядка с единичным усилением:
Обратите внимание, что он очень похож на вышеупомянутый пассивный RC-фильтр. Основное отличие, конечно же, в операционном усилителе. В этом случае операционный усилитель не усиливает сигнал. Скорее, он поддерживает единичное усиление и обеспечивает соответствующий выходной импеданс для цепи фильтра нижних частот.
Теперь давайте посмотрим на простой RC-фильтр нижних частот первого порядка, который предлагает усиление:
Коэффициент усиления A _В неинвертирующего усилителя рассчитывается по следующему уравнению, включая резистор обратной связи (R ₂) и соответствующий ему входной резистор (R ₁):
Коэффициент усиления всей схемы зависит от частоты (поскольку фильтр нижних частот ослабляет более высокие частоты). Это усиление можно определить с помощью следующего уравнения:
С помощью этого уравнения мы можем наблюдать следующее:
На низких частотах ( f < f _C): A = V _out / V _in = A _V / {small number} ≈ A _V
At частота среза ( f = f _C): A = V _out / V _in = A _V / √2 = 0.707 A _V
На высоких частотах ( f > f _C): A = V _out / V _in = A _V / {большое количество} «A _V
Если подставить 0,707 A _V в следующее уравнение для децибел, мы можем подтвердить, что частота среза действительно составляет -3 дБ от единицы:
Если мы посмотрим на фильтр второго порядка (на упрощенной схеме), мы получим следующее:
Имея дело с фильтрами второго порядка (и выше), мы имеем коэффициент демпфирования в цепи.Коэффициент демпфирования этой простой топологии фильтра Саллена-Ки составляет:
Значения R _F и R _I участвуют в определении коэффициента усиления и демпфирования схемы. R _F и R _I также определяют, какой у нас фильтр Баттерворта, Бесселя или Чебышева. Обратите внимание, что следующее применимо только к фильтру второго порядка:
Баттерворт:
R _F / R _I = 0,586
DF = 1.414
A _V = 4 дБ
Bessel:
R _F / R _I <0,586
DF> 1,414
A _V
9000 Чебышев:
R _F / R _I> 0,586
DF <1,414
A _V> 4 дБ
Давайте теперь посмотрим на RC-фильтр нижних частот шестого порядка ниже:
Возможно, первое, что следует отметить, это то, что на каждые две пары резистор-конденсатор (для каждого увеличения на два в порядке фильтра) в схеме будет операционный усилитель.Это стандарт для поддержания надлежащего каскадирования усиления и буферизации по всей цепи.
Возвращаясь к крутизне спада, этот фильтр нижних частот будет иметь крутизну на 36 дБ / октаву или 120 дБ / декаду выше частоты среза. Этот фильтр может принимать фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева или любой другой возможный «тип» фильтра нижних частот с учетом топологии. Различные отношения R _F / R _I между 3 наборами будут отличаться от тех, которые определены выше для фильтра второго порядка.
Надеюсь, я вас не запутал. Есть много других подробных ресурсов по фильтрам. Основное внимание в этой статье уделяется разработке и использованию фильтров нижних частот в аудио, поэтому я воздержусь от того, чтобы заходить слишком далеко в кроличью нору!
Обзор активных и пассивных фильтров нижних частот
Вот небольшая таблица, обобщающая то, что мы обсуждали в этом разделе.
Active Audio LPF Passive Audio LPF
Требуется питание Не требуется питание
Включает активные и пассивные компоненты (включая операционные усилители) Включает только пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы и т. Д.))
Предлагает усиление выше единичного усиления (повышает в дополнение к отсекам) Не может предлагать усиление выше единичного усиления (только отсечки)
Низкое выходное сопротивление (работа независимо от нагрузки) Более высокое выходное сопротивление (работа в зависимости от нагрузки)
Более высокие производственные затраты Более низкие производственные затраты
Можно отметить дополнительные моменты, которые неприменимы к аудио LPF (как и к очень высокочастотным сигналам), но в любом случае их стоит упомянуть:
Пассивные фильтры LPF могут включать индукторы.
Активные ФНЧ не могут обрабатывать такие высокие амплитуды сигнала, как пассивные фильтры, из-за операционного усилителя.
Активные ФНЧ имеют ограниченную полосу пропускания из-за операционного усилителя.
Смешивание с фильтрами низких частот
Теперь, когда мы понимаем, что такое фильтр нижних частот и как он работает, давайте рассмотрим его практическое применение, когда дело доходит до микширования звука.
Фильтры нижних частот используются для микширования следующим образом:
Уменьшите конкуренцию между инструментами в High-End
Одна из наиболее важных задач звукового эквалайзера — очистка частотного спектра, чтобы инструменты были слышны.Это означает уменьшение частотных диапазонов некоторых треков, чтобы другие треки могли просвечивать в этих же диапазонах.
Фильтры нижних частот могут эффективно устранять высокие частоты некоторых выбранных дорожек, тем самым позволяя другой дорожке (дорожкам) занять высокие частоты с улучшенной четкостью. Это также может снизить резкость всего микса.
В high-end не так много «музыкальной» информации (гармоник). Однако, исключив «яркость» некоторых инструментов, мы можем усилить воспринимаемую яркость / воздушность других инструментов.Также ничто не мешает нам снизить частоту среза ФНЧ до среднего уровня, чтобы начать фильтрацию гармонического содержимого.
Уменьшить шипение
Если исходный материал записан неправильно или с использованием некачественного оборудования, шипение (среди прочего) может быть нежелательным слышимым результатом.
Некоторое количество шипения неизбежно в аналоговом оборудовании, включая микрофоны, из-за природы электричества и электрических компонентов, которые используются в конструкции звукового оборудования.Обычно это называют «собственным шумом».
Статьи по теме:
• Что такое самошум микрофона? (Эквивалентный уровень шума)
• Какое хорошее соотношение сигнал / шум для микрофона?
• 15 способов эффективного снижения шума микрофона
Большая часть того, что мы называем «шипением», находится в верхней части частотного спектра. Следовательно, использование фильтра нижних частот может помочь уменьшить уровень шипения в сигнале. Просто убедитесь, что вы помните о любых эффектах, которые LPF будет иметь на тон, когда вы понижаете частоту среза.
Существуют также звуковые плагины, которые могут помочь уменьшить шум, не затрагивая частотную составляющую сигнала. Waves X-Noise (ссылка, чтобы проверить это на Waves) — отличный пример такого плагина.
Волны X-Noise
Waves Audio входит в список лучших мировых брендов аудиоподключаемых модулей (VST / AU / AAX) для моего нового микрофона.
Добавить глубину
Глубина — важный параметр при смешивании. По сути, это воспринимаемое расстояние до источника звука в контексте микса.
В реальном мире акустики увеличение расстояния между источником звука и слушателем может привести к нескольким событиям. Я добавлю в скобки звуковые эффекты, которые помогают имитировать эту психоакустическую воспринимаемую глубину:
Звук будет тише (громкость / усиление).
Звук дойдет до ушей слушателя позже (задержка).
Звук, скорее всего, будет отражаться от других поверхностей в акустическом пространстве и достигать ушей слушателя в разное время (задержка и реверберация).
Звук будет менее сфокусированным (модуляция, например, хорус).
Звук будет менее высокочастотным, поскольку более высокочастотные звуковые волны сначала теряют энергию из-за трения среды / воздуха (LPF).
Статья по теме: Полный список: Звуковые эффекты и процессы для сведения / производства.
Таким образом, уменьшая высокие частоты источника с помощью фильтра нижних частот (или полки верхних частот или другого эквалайзера), мы можем создать иллюзию того, что источник находится еще дальше в миксе.
Добавить край с резонансом
Как мы обсуждали ранее, полоса пропускания фильтра нижних частот (особенно около частоты среза) не всегда идеально ровная. Во многих случаях будет какой-то резонансный пик или усиление эквалайзера около / ниже частоты среза.
Таким образом, мы можем использовать некоторые фильтры нижних частот для усиления определенных резонансных полос, чтобы придать дорожке некоторый край непосредственно перед точкой, в которой отфильтровываются высокие частоты.
Чтобы получить максимальную «грань» от источника звука, обычно лучше всего иметь резонанс и отсечку в среднем диапазоне, где в сигнале присутствует заметная гармоническая составляющая.
Автоматизация!
Автоматизация фильтра нижних частот может быть использована с большим эффектом для создания акустического интереса к источнику звука.
Если вам нравятся синтезаторы, вы, вероятно, знаете, как автоматизация или иная модуляция фильтра нижних частот может дать отличные результаты.
Педали эффектов
Wah-wah и с фильтром огибающей также могут модулировать фильтр нижних частот для достижения своего звукового эффекта, особенно когда есть пик резонанса около среза.
Статьи по теме:
• Что такое педали эффектов Wah-Wah для гитары и как они работают?
• Что такое педали эффектов фильтров огибающих и как они работают?
Когда дело доходит до автономных фильтров нижних частот, мы можем распространить эти эффекты на любой источник звука, автоматизируя фильтр нижних частот (особенно параметр частоты среза).
Мы также можем использовать автоматизацию, чтобы эффективно увеличивать или уменьшать воспринимаемую глубину трека, а также снижать конкуренцию в high-end, когда другие треки вводятся в аранжировку (или удаляются из нее).
Другие применения фильтров нижних частот в аудио
Помимо микширования, фильтры нижних частот используются во многих других звуковых стандартах и оборудовании.
Фильтры нижних частот используются в аудио:
Фильтры сглаживания и восстановления
Если вы какое-то время интересовались звуком, вы знаете, что аудиосигналы могут быть аналоговыми или цифровыми.В то время как аналоговые сигналы обычно используются с преобразователями (громкоговорители, наушники, микрофоны и т. Д.) И некоторыми способами хранения (винил, лента и т. Д.), В современных случаях обычно используется цифровое аудио хранилище (внутри DAW, потоковая передача, облачное хранилище и т. Д.) хранилище на жестком диске и т. д.).
Записываем ли мы с помощью микрофонов или аналоговых инструментов на цифровую звуковую рабочую станцию или воспроизводим цифровой звук через динамики или наушники, нам потребуется преобразование аналогового и цифрового звука.
Это преобразование выполняется с помощью точно названных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
При переходе от аналогового к цифровому, АЦП будет выполнять выборку звука с высокой частотой дискретизации и назначать амплитуду (в пределах установленной битовой глубины) каждой выборке, пытаясь смоделировать форму волны аналогового сигнала.
При переходе от цифрового сигнала к аналоговому ЦАП будет пытаться создать плавный непрерывный сигнал на основе отсчетов цифрового сигнала.
В обоих преобразователях используются аналоговые фильтры нижних частот.
Фильтр сглаживания
В АЦП ФНЧ называется фильтром сглаживания. Фильтр сглаживания, как следует из названия, фильтрует аналоговый сигнал перед дискретизацией / преобразованием, чтобы избежать наложения спектров.
Псевдоним — это ошибка выборки, которая возникает, когда частота дискретизации слишком мала для правильного определения частоты входного сигнала. Когда происходит наложение спектров, дискретизированный сигнал в конечном итоге имеет более низкую частоту, чем входной сигнал.
Обратите внимание, что типичные аудиосигналы не являются простыми синусоидальными волнами и имеют широкий диапазон частот. Таким образом, псевдонимы вносят искажения и другие артефакты в цифровой аудиосигнал (а не просто изменяют частоту сигнала).
При этом проще всего визуализировать сглаживание с помощью простой синусоидальной волны. Давайте посмотрим на несколько иллюстраций, которые помогут нам понять псевдоним:
На следующем изображении у нас есть синусоидальная волна 12 кГц, дискретизируемая с частотой 48 кГц.Точки представляют каждую точку выборки, а красный сигнал представляет собой выбранный сигнал (обратите внимание, что он наложен поверх исходного сигнала черным цветом). Другими словами, АЦП эффективно преобразует сигнал из аналогового в цифровой.
На этом следующем изображении у нас есть входной сигнал 36 кГц, дискретизированный с той же частотой 48 кГц. Точки представляют каждую точку выборки, а красный сигнал представляет собой выбранную форму волны. Обратите внимание, что для создания сигнала, который проходит через каждую точку выборки (не проходя сначала через цикл), выбранная форма волны должна принимать другую форму волны, на этот раз с частотой 6 кГц.По сути, это то, что такое алиасинг.
Обычно цифровой звук дискретизируется с частотой 44,1 кГц или 48 кГц, хотя также распространены более высокие частоты 88,2, 96, 176,4 и 192 кГц.
Теорема выборки Найквиста-Шеннона по существу гласит, что во избежание наложения спектров цифровая система дискретизации должна иметь частоту дискретизации, по крайней мере, в два раза выше, чем наивысшая частота дискретизации звука.
Звуковой диапазон человеческого слуха составляет от 20 Гц до 20 кГц, поэтому мы можем эффективно снизить низкие частоты выше 20 кГц, не оказывая чрезмерного влияния на то, что мы слышим.Обратите внимание, что в случае появления наложения спектров частоты выше диапазона слышимости вызовут искажения и артефакты в диапазоне слышимости.
Таким образом, при самой низкой общей частоте дискретизации 44,1 кГц нам нужно, чтобы самая высокая частота аудиосигнала составляла 22,05 кГц или 22050 Гц. Это дает нам немного места в частотном спектре для спада частот между (в идеале) 20 кГц и 22,05 кГц.
Помните, что фильтры нижних частот должны учитывать некоторый переходный период.Спад на 40 дБ обычно считается достаточным, чтобы сделать наложение «несущественным». По этой метрике нам понадобится фильтр очень высокого порядка, приближенный к кирпичному / идеальному фильтру.
Реконструкция фильтра
В ЦАП ФНЧ упоминается как реконструкция фильтра, препятствующего формированию изображения.
Когда цифровой сигнал преобразуется в аналоговый, это не сигнал непрерывного времени. Скорее, он имеет дискретные изменения напряжения при заданной частоте дискретизации. Путем низкого прохождения преобразованного сигнала мы можем эффективно сгладить этот дискретный сигнал на высоких частотах, чтобы получить типичный аналоговый сигнал с непрерывным временем.
Удалив высокочастотные компоненты сигнала, мы можем избавиться от любых искажений или образов в сигнале.
Обратите внимание, что в идеале эти фильтры нижних частот должны быть идеальными, то есть они должны быть каменными фильтрами. Обычно это достигается (приблизительно) с помощью ФНЧ с импульсной характеристикой sinc.
Фильтры деактивации
Фильтры уменьшения выделения используются в системах, где предварительное выделение и ослабление выделения необходимо для улучшенной передачи сигнала.Это, прежде всего, FM-радио и запись / воспроизведение виниловых пластинок.
Фильтры предыскажения, как правило, представляют собой фильтры высоких частот, обрезных фильтров нижних частот или повышающих фильтров верхних частот. Они используются для улучшения отношения сигнал / шум на высоких частотах (с FM-радио) или для улучшения хранения (как известно, винил плохо хранит низкочастотную информацию в своих канавках).
Затем при воспроизведении требуется фильтр уменьшения выделения, чтобы отменить эффект фильтра предварительного выделения, возвращая сигнал к его исходной частотной характеристике.
Поскольку фильтры предыскажения относятся к разновидности высокочастотных (или аналогичных), фильтры ослабления выделения относятся к разновидности низкочастотных (или аналогичных).
Для наглядности вот изображение фильтра уменьшения выделения (синим цветом) и фильтра предварительного выделения (розового цвета) для FM-радио (постоянная времени 75 мкс и частота среза 2122 Гц):
Аналогичным образом, стандарт эквализации RIAA — это эквалайзер с предварительным / пониженным акцентом для записи и воспроизведения фонографических / виниловых пластинок. Он представлен на изображении ниже с синей линией, представляющей эквалайзер воспроизведения (сглаживание), и розовой линией, представляющей запись (с предварительным выделением) EQ:
Кроссоверы сабвуфера
Сабвуферы — это громкоговорители, специально разработанные для воспроизведения низкочастотных звуковых волн (обычно от 20 Гц до 200 Гц) аудиосигнала.
Эти громкоговорители важны в системах, предназначенных для воспроизведения всего диапазона слышимых частот, поскольку большинство громкоговорителей не могут точно воспроизводить эту низкочастотную информацию (если вообще).
Более того, что позволяет нам слышать низкие частоты, сабвуферы позволяют нам почувствовать низкие частоты звука.
В системах с сабвуферами эти специализированные динамики обычно передают определенную полосу частот общего аудиосигнала.
Кроссовер громкоговорителей (независимо от того, является ли он автономным устройством или частью усилителя мощности) эффективно снижает низкочастотный сигнал, который будет отправлен на сабвуфер, чтобы не передавать какую-либо информацию среднего / высокого уровня.Отправка сигналов с частотами за пределами выделенного диапазона сабвуфера может привести к неидеальным и «грязным» характеристикам сабвуфера.
Сабвуферы потребительского уровня, подобные тем, что используются в автомобилях, обычно воспроизводят 20 Гц — 200 Гц, в то время как профессиональные сабвуферы с усилением живого звука предназначены для воспроизведения звука ниже 100 Гц. Системы, одобренные THX, предназначены для работы с частотой ниже 80 Гц.
Для получения дополнительной информации о кроссоверах для динамиков ознакомьтесь с моей статьей Что такое кроссовер для динамиков? (Активный пассивный).
Включение в полосовые фильтры
Что такое полосовой фильтр в аудио? Полосовой фильтр «пропускает» полосу частот (определенный диапазон выше нижней среза и ниже высокой среза), постепенно ослабляя частоты ниже нижней среза и выше высокой среза.
Полосовые фильтры можно рассматривать как последовательные / каскадные фильтры верхних и нижних частот. Частота среза фильтра высоких частот ( f _H) будет ниже, чем частота среза фильтра низких частот ( f _L).
Вот визуальное представление графика частоты полосового фильтра:
А вот упрощенная схема, представляющая аналоговый полосовой фильтр с фильтром нижних частот первого порядка и фильтром нижних частот первого порядка:
Для получения дополнительной информации о полосовых фильтрах ознакомьтесь с моей статьей Audio EQ: Что такое полосовой фильтр и как работают BPF?
Включение в полосовые фильтры
Что такое полосовой фильтр в аудио? Полосовой фильтр (он же режекторный фильтр или режекторный фильтр) работает, удаляя частоты в указанной полосе в пределах общего частотного спектра.Это позволяет частотам ниже нижней точки отсечки проходить вместе с частотами выше верхней точки отсечки.
Полосовые фильтры можно рассматривать как параллельные фильтры верхних и нижних частот. Частота среза фильтра высоких частот ( f _H) будет больше, чем частота среза фильтра низких частот ( f _L).
Вот визуальное представление графика частоты полосового фильтра:
А вот упрощенная схема, представляющая аналоговый полосовой фильтр с фильтром нижних частот первого порядка и фильтром нижних частот первого порядка:
Чтобы узнать больше о полосовых фильтрах, ознакомьтесь с моей статьей Audio EQ: Что такое полосовой фильтр и как работают BSF?
Что такое фильтр высоких частот в звуковом эквалайзере? Фильтр высоких частот (HPF) — это процессор аудиосигнала, который удаляет нежелательные частоты из сигнала ниже определенной частоты среза.Он постепенно отфильтровывает (ослабляет) низкие частоты ниже его частоты среза, позволяя проходить высоким, в идеале без каких-либо изменений.
Статья по теме: Audio EQ: Что такое фильтр высоких частот и как работают фильтры HPF?
Что такое полочный эквалайзер? Shelving Eq использует полочные фильтры высоких и / или низких частот для воздействия на все частоты выше или ниже определенной частоты среза соответственно. Шельфинг может использоваться либо для усиления / усиления, либо для ослабления / ослабления и воздействует на все частоты одинаково за пределами определенной точки.
Фильтр низких частот — Руководство Audacity
Фильтр нижних частот пропускает частоты ниже его частоты среза и ослабляет частоты выше его частоты среза. Таким образом, этот эффект можно использовать для уменьшения шума на высоких частотах.
Доступ:
Частота (Гц)
Звук выше этой частоты среза в Гц не устраняется, а все больше затухает по мере того, как частота поднимается выше границы среза.
Частота среза (иногда также называемая угловой частотой ) определяет точку, в которой звук уменьшается на 3 дБ. Таким образом, будет также небольшое и уменьшающееся количество ослабления чуть ниже частоты среза, как на следующем изображении.
Спад (дБ на октаву)
Спад задает крутизну затухания выше угловой частоты. Более высокие значения спада дают более крутой наклон затухания.Например, при спаде 6 дБ на октаву звук уменьшается на 6 дБ с амплитудой для каждой октавы выше частоты среза (октава выше — это двойная частота).
Чтобы добиться большего затухания, запустите эффект еще раз или используйте большее затухание.
Кнопки
Нажатие на командные кнопки дает следующие результаты:
«Управление» предоставляет раскрывающееся меню, позволяющее управлять предустановками для инструмента и просматривать некоторые сведения об инструменте.Подробнее см. Управление предустановками
.
Preview воспроизводит короткий предварительный просмотр того, как будет звучать звук, если эффект применяется с текущими настройками, без внесения фактических изменений в звук. Продолжительность предварительного просмотра определяется вашей настройкой в, значение по умолчанию — 6 секунд.
OK применяет эффект к выбранному аудио с текущими настройками эффекта и закрывает диалоговое окно
Отмена: отменяет эффект и оставляет звук без изменений, закрывая диалоговое окно.
переводит вас на соответствующую страницу в Руководстве, эта страница
Ссылки
| < Индекс эффектов, генераторы и анализаторы
| < Меню эффектов
.

Расчёт фильтра нижних частот

Частота сигнала:					МГц
Входное сопротивление фильтра:					Ом
Выходное сопротивление фильтра:					Ом
Добротность фильтра:

	Индуктивности:			Ёмкости:
L1:		мкГн	C1:		пФ
L2:		мкГн	C2:		пФ
			C3:		пФ

*Формат ввода — х.хх (разделитель — точка)

Аналоговый аудио LPF	Цифровой аудио LPF
Фильтрует аналоговые (непрерывные) аудиосигналы	Фильтрует цифровые (дискретные) аудиосигналы
Изготовлен из аналоговых компонентов	Встроен в цифровые микросхемы (с сумматорами, вычитателями, задержками и т. Д.)), или; Закодировано в ПО
Ограниченные функциональные возможности и адаптируемость	Более универсальные возможности программирования
Более чувствителен к изменениям окружающей среды	Менее чувствителен к изменениям окружающей среды
Аналоговые компоненты создают тепловой шум	Квантование вносит цифровой шум
Более высокие производственные затраты	Более низкие производственные затраты

Active Audio LPF	Passive Audio LPF
Требуется питание	Не требуется питание
Включает активные и пассивные компоненты (включая операционные усилители)	Включает только пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы и т. Д.))
Предлагает усиление выше единичного усиления (повышает в дополнение к отсекам)	Не может предлагать усиление выше единичного усиления (только отсечки)
Низкое выходное сопротивление (работа независимо от нагрузки)	Более высокое выходное сопротивление (работа в зависимости от нагрузки)
Более высокие производственные затраты	Более низкие производственные затраты