Высокочастотный низкочастотный фильтр — это фильтр, реализованный путем комбинации нескольких вторичных фильтров, предназначенный для подавления высокочастотных сигналов и сохранения низкочастотных.

С точки зрения обработки сигналов, все сигналы в мире можно понимать как наложение одного или нескольких или бесконечного количества синусоидальных волн с разной частотой, разной фазой и разной амплитудой.

Основное определение фильтра: это устройство или алгоритм, способный извлекать определенные частотные компоненты из сложных сигналов или подавлять определенные частотные компоненты.

Низкочастотный фильтр — это устройство, которое позволяет проходить низкочастотным сигналам, в то время как за пределами допустимой частоты сигнал быстро уменьшается, ослабляя или блокируя высокочастотные сигналы. Основное применение — фильтрация электромагнитных помех в сигналах датчиков, шумов в аудиосигналах и т.д.

Способы реализации фильтров делятся на пассивные и активные. Основное различие между ними заключается в необходимости подачи дополнительного питания. Пассивный фильтр в основном состоит из пассивных компонентов (R, C, L) и использует импедансные свойства конденсатора (пропускание высоких частот, блокирование низких) и индуктивности (пропускание низких частот, блокирование высоких) для селекции частот. Его схема проста, легко реализуется и широко применяется в фильтрации питания и высокочастотной фильтрации. Активный фильтр в основном состоит из активных компонентов (в основном операционные усилители) и пассивных компонентов (в основном R, C). Операционный усилитель изменяет частотную характеристику схемы через сеть обратной связи, что позволяет не только выполнять фильтрацию, но и компенсировать затухание сигнала (или усиливать сигнал), а также более точно контролировать фильтрационные характеристики (частота среза, крутизна аттенюации).

безынерционный фильтр

активный фильтр

Но пассивные фильтры из-за своих фильтрующих характеристик обладают плохими нагрузочными свойствами и ослабляют сигнал в процессе фильтрации. Добавление буферных операционных усилителей в цепь высокого порядка может уменьшить ослабление между каждым звеном цепи и предотвратить искажение фильтрующих характеристик одних фильтрующих элементов цепи другими. Как видно из приведенного ниже рисунка, при одинаковых фильтрующих параметрах и одинаковой нагрузке пассивный фильтр ослабляет сигнал более значительно.

Активный фильтр (оранжевый) и пассивный фильтр (красный) по степени ослабления сигнала

Поэтому высокочастотные фильтры обычно реализуются с помощью активных фильтров.

По сравнению с фильтром второго порядка, фильтр высокого порядка обладает более сильной способностью к затуханию. Что касается выбора порядка, порядок фильтра означает количество полюсов в передаточной функции фильтра, что определяет скорость спада в переходной области. Обычно с увеличением порядка на единицу (на один полюс) увеличивается 20 дБ/дек (20 дБ на декаду).

Высокочастотные фильтры часто реализуются на архитектуре Sallen-Key.

цепь

Распространенные высокочастотные низкочастотные фильтры включают фильтры Баттерворта, Бесселя и Чебышева.

Баттерворта обладает наилучшей плоской характеристикой, при этом частотная характеристика в полосе пропускания максимально ровная, без колебаний, а в полосе задерживания постепенно снижается до нуля.

Фильтр Бесселя имеет самую плоскую амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики, обеспечивая одинаковое время задержки для всех частот ниже его частоты среза.

Фильтр Чебышева обладает быстрым затуханием, достигая более скорого затухания за счёт допустимых колебаний в частотной характеристике.

Они имеют свои преимущества и компромиссы в различных сценариях применения, выбор зависит от конкретных потребностей.