ما هو مرشح الترددات العالية؟ مخطط الدائرة والخصائص والتطبيقات

كانت هناك حقبة حيث أثناء إجراء مكالمة هاتفية عبر الأماكن البعيدة ، كان على المرء أن يضع فمه قريبًا جدًا من جهاز الإرسال ، ويتحدث ببطء شديد وبصوت عالٍ جدًا بحيث يمكن سماع هذه الرسالة بوضوح من قبل الشخص في الطرف الآخر. اليوم ، يمكننا حتى إجراء مكالمات فيديو في جميع أنحاء العالم بدقة عالية. يكمن سر هذا التطور الهائل للتكنولوجيا في الكهرباء منقي نظرية و نظرية خط النقل . المرشحات الكهربائية عبارة عن دوائر تمر فقط بنطاق محدد من الترددات مع تخفيف الترددات الأخرى غير المرغوب فيها. أحد هذه المرشحات هو مرشح دقيق .

ما هو مرشح الترددات العالية؟

تعريف مرشح التمرير العالي هو مرشح يمرر فقط تلك الإشارات التي تكون تردداتها أعلى من ترددات القطع ، وبالتالي يخفف إشارات الترددات المنخفضة. تعتمد قيمة تردد القطع على تصميم المرشح.

دائرة التصفية عالية المرور

تم إنشاء مرشح التمرير العالي الأساسي من خلال اتصال متسلسل بـ مكثف ومقاوم . بينما يتم تطبيق إشارة الدخل على المكثف ، يتم رسم الناتج عبر المقاوم .

دائرة التصفية عالية المرور

في ترتيب الدائرة هذا ، يكون للمكثف تفاعل عالي عند الترددات المنخفضة ، لذا فهو يعمل كدائرة مفتوحة لإشارات الإدخال ذات التردد المنخفض حتى الوصول إلى تردد القطع 'fc'. يقوم المرشح بتخفيف جميع الإشارات الموجودة أسفل مستوى تردد القطع. عند الترددات أعلاه ، ينقطع مستوى التردد عن تفاعل المكثف يصبح منخفضًا ويعمل بمثابة دائرة قصر لهذه الترددات مما يسمح لها بالمرور مباشرة إلى الخرج.

مرشح الترددات العالية السلبي RC

يُعرف أيضًا مرشح High Pass الموضح أعلاه باسم مرشح الترددات العالية RC السلبي حيث تم بناء الدائرة باستخدام فقط العناصر السلبية . ليست هناك حاجة لتطبيق قوة خارجية لتشغيل المرشح. هنا المكثف هو العنصر التفاعلي ويتم رسم الخرج عبر المقاوم.

خصائص مرشح التمرير العالي

عندما نتحدث عن تردد القطع نشير إلى النقطة في استجابة التردد للمرشح حيث يساوي الكسب 50٪ من ذروة كسب الإشارة. 3 ديسيبل من ذروة كسب. في High Pass Filter ، يزداد الكسب مع زيادة الترددات.

منحنى تردد مرشح الترددات العالية

يعتمد تردد القطع fc هذا على قيم R و C للدائرة. هنا ثابت الوقت τ = RC ، يكون تردد القطع متناسبًا معكوسًا مع ثابت الوقت.

تردد القطع = 1 / 2πRC

يتم إعطاء كسب الدائرة بواسطة AV = Vout / Vin

.بمعنى آخر. AV = (Vout) / (V in) = R / √ (R^اثنين+ Xc^اثنين) = ص / ع

عند التردد المنخفض f: Xc → ∞ ، Vout = 0

عند التردد العالي f: Xc → 0 ، Vout = فين

استجابة تردد مرشح الترددات العالية أو مؤامرة Bode لمرشح المرور العالي

في مرشح التمرير العالي ، يتم تخفيف جميع الترددات الواقعة أسفل تردد القطع 'fc'. عند نقطة قطع التردد هذه نحصل على كسب -3 ديسيبل وعند هذه النقطة ستكون قيم مفاعلة المكثف والمقاوم متماثلة. R = Xc. يتم احتساب الربح على أنه

كسب (ديسيبل) = 20 سجل (Vout / Vin)

منحدر منحنى مرشح التمرير العالي هو +20 d B / عقد. بعد اجتياز مستوى تردد القطع ، تزداد استجابة خرج الدائرة من 0 إلى Vin بمعدل +20 ديسيبل لكل عقد وهو 6 ديسيبل زيادة لكل أوكتاف.

استجابة تردد مرشح الترددات العالية

تُعرف المنطقة من النقطة الأولية إلى نقطة التردد المقطوعة باسم نطاق التوقف حيث لا يُسمح بمرور الترددات. المنطقة من أعلى نقطة تردد القطع. أي نقطة -3 ديسيبل معروفة باسم نطاق المرور . عند تردد القطع ، ستكون سعة جهد خرج النقطة 70.7٪ من جهد الدخل.

هنا عرض النطاق الترددي للمرشح يشير إلى قيمة التردد الذي يُسمح للإشارات بالمرور منه. على سبيل المثال ، إذا تم إعطاء عرض النطاق الترددي لمرشح التمرير العالي كـ 50 كيلو هرتز ، فهذا يعني أنه يُسمح فقط بالمرور من 50 كيلو هرتز إلى ما لا نهاية.

زاوية الطور لإشارة الخرج هي +450 عند تردد القطع. صيغة حساب التحول الطوري لمرشح التمرير العالي هي

∅ = أركتان ⁡ (1/2 πfRC)

منحنى تحول المرحلة

في التطبيق العملي ، لا تمتد استجابة إخراج المرشح إلى ما لا نهاية. تطبق الخاصية الكهربائية لعناصر المرشح قيودًا على استجابة المرشح. من خلال الاختيار الصحيح لمكونات المرشح ، يمكننا ضبط نطاق الترددات المراد توهينها والنطاق المطلوب تمريره ، إلخ ...

مرشح تمرير عالي باستخدام Op-Amp

في مرشح التمرير العالي هذا مع عناصر التصفية السلبية ، نضيف مكبر العمليات إلى الدائرة. بدلاً من الحصول على استجابة مخرجات لا نهائية ، هنا تكون استجابة المخرجات محدودة بحلقة مفتوحة خصائص Op-amp . ومن ثم يعمل هذا المرشح كملف مرشح تمرير النطاق بتردد مقطوع يتم تحديده بواسطة عرض النطاق الترددي واكتساب خصائص Op-amp.

مرشح تمرير عالي باستخدام Op-Amp

يعمل كسب جهد الحلقة المفتوحة لـ Op-amp كحد من عرض النطاق الترددي لـ مكبر الصوت . ينخفض ​​كسب مكبر الصوت إلى 0 ديسيبل مع زيادة تردد الإدخال. تتشابه استجابة الدائرة مع مرشح التمرير العالي السلبي ، ولكن هنا يؤدي كسب Op-amp إلى تضخيم اتساع إشارة الخرج.

ال كسب المرشح يتم إعطاء استخدام Op-amp غير المقلوب بواسطة:

AV = Vout / Vin = (إيقاف (f / fc)) / √ (1+ (f / fc) ^ 2)

حيث Af هو كسب نطاق المرور للمرشح = 1+ (R2) / R1

f هو تردد إشارة الدخل بالهرتز

fc هو تردد القطع

عند انخفاض التسامح المقاومات والمكثفات تستخدم مرشحات High Pass Active التي توفر دقة وأداء جيدين.

مرشح الترددات العالية النشط

مرشح تمرير عالي باستخدام Op-amp يُعرف أيضًا باسم مرشح تمرير عالي نشط لأنه مع العناصر السلبية مكثف ومقاوم عنصر نشط يستخدم Op-amp في الدائرة . باستخدام هذا العنصر النشط ، يمكننا التحكم في تردد القطع ونطاق استجابة الإخراج للمرشح.

مرشح الترددات العالية من الدرجة الثانية

تعتبر جميع دوائر التصفية التي رأيناها حتى الآن مرشحات تمرير عالية من الدرجة الأولى. في مرشح التمرير العالي من الدرجة الثانية ، تتم إضافة كتلة إضافية من شبكة RC إلى مرشح تمرير عالي من الدرجة الأولى في مسار الإدخال.

مرشح الترددات العالية من الدرجة الثانية

ال استجابة التردد لمرشح التمرير العالي من الدرجة الثانية مشابه لمرشح التمرير العالي من الدرجة الأولى. ولكن في الدرجة الثانية ، سيكون نطاق إيقاف مرشح التمرير العالي ضعف ذلك المرشح من الدرجة الأولى عند 40 ديسيبل / عقد. يمكن تشكيل المرشحات ذات الترتيب الأعلى عن طريق تتابع المرشحات من الرتبة الأولى والثانية. على الرغم من عدم وجود حد للترتيب ، إلا أن حجم المرشح يزداد جنبًا إلى جنب مع ترتيبها ودقتها. إذا كان المرشح ذو الترتيب الأعلى R1 = R2 = R3 إلخ ... و C1 = C2 = C3 = إلخ ... فسيكون تردد القطع هو نفسه بغض النظر عن ترتيب المرشح.

مرشح الترددات العالية من الدرجة الثانية

يمكن إعطاء تردد القطع لمرشح High Pass Active من الدرجة الثانية كـ

fc = 1 / (2π√ (R3 R4 C1 C2))

وظيفة تحويل مرشح الترددات العالية

نظرًا لأن مقاومة المكثف تتغير بشكل متكرر ، فإن المرشحات الإلكترونية لها استجابة تعتمد على التردد.

يتم إعطاء الممانعة المعقدة للمكثف Zc = 1 / sC

حيث ، s = σ + jω ، هو التردد الزاوي بالتقدير الزاوي في الثانية

يمكن العثور على وظيفة النقل للدائرة باستخدام تقنيات تحليل الدائرة القياسية مثل قانون أوم و قوانين كيرشوف و تراكب الخ. الشكل الأساسي لوظيفة التحويل تعطى بواسطة المعادلة

H (s) = (am s ^ m + a (m-1) s ^ (m-1) + ⋯ + a0) / (bn s ^ n + b (n-1) s ^ (n-1) + ⋯ + ب 0)

ال ترتيب المرشح يُعرف بدرجة المقام. أقطاب وأصفار من الدائرة عن طريق حل جذور المعادلة. قد يكون للوظيفة جذور حقيقية أو معقدة. الطريقة التي يتم بها رسم هذه الجذور على مستوى s ، حيث يتم الإشارة إلى بالمحور الأفقي و بواسطة المحور الرأسي ، تكشف عن الكثير من المعلومات حول الدائرة. بالنسبة لمرشح التمرير العالي ، يوجد صفر في الأصل.

H (jω) = Vout / Vin = (-Z2 (jω)) / (Z1 (jω))

= - R2 / (R1 + 1 / jωC)

= -R2 / R1 (1 / (1+ 1 / (jωR1 C))

هنا H (∞) = R2 / R1 ، احصل على عندما ω → ∞

τ = R1 C و c = 1 / (τ). ωc = 1 / (R1C) هو تردد القطع

وبالتالي يتم إعطاء وظيفة النقل لمرشح التمرير العالي بواسطة H (jω) = - H (∞) (1 / (1+ 1 / jωτ))

= - H (∞) (1 / (1- (jωc) / ω))

عندما يكون تردد الإدخال منخفضًا ، يكون Z1 (jω) كبيرًا ، وبالتالي تكون استجابة المخرجات منخفضة.

H (jω) = (- H (∞)) / √ (1+ (c / ω) ^ 2) = 0 عندما ω = 0 H (∞) / √2 عندما ω = ω_c

و H (∞) عندما ω = ∞. تشير الإشارة السلبية هنا إلى تحول الطور.

عندما R1 = R2 ، s = jω و H (0) = 1

لذا ، فإن وظيفة النقل لمرشح التمرير العالي H (jω) = jω / (jω + ω_c)

زبدة تستحق فلتر تمرير عالي

إلى جانب رفض الترددات غير المرغوب فيها ، يجب أن يكون للمرشح المثالي أيضًا حساسية موحدة للترددات المطلوبة. مثل هذا المرشح المثالي غير عملي. لكن ستيفن باتر يستحق في ورقته البحثية 'حول نظرية مكبرات الصوت المرشح' أن هذا النوع من المرشحات يمكن تحقيقه عن طريق زيادة عدد عناصر المرشح بالمقادير الصحيحة.

مرشح يستحق الزبدة تم تصميمه بحيث يعطي استجابة ترددية ثابتة في نطاق تمرير المرشح وينخفض ​​باتجاه الصفر في نطاق التوقف. نموذج أولي أساسي من مرشح يستحق الزبدة هل تصميم تمرير منخفض ولكن عن طريق التعديلات تمرير عالية و مرشحات تمرير الفرقة يمكن تصميمها.

كما رأينا أعلاه ، فإن كسب وحدة مرشح التمرير العالي من الدرجة الأولى هو H (jω) = jω / (jω + ω_c)

ن هذه المرشحات في السلسلة H (jω) = (jω / (jω + ω_c)) ^ n الذي عند حل يساوي

يتحكم 'n' في ترتيب الانتقال بين نطاق التمرير ونطاق التوقف. لذلك ، فإن الترتيب الأعلى ، وسرعة الانتقال ، عند n = ∞ يصبح مرشح قيمة الزبدة مرشح تمرير عالي مثالي.

أثناء تنفيذ هذا المرشح من أجل البساطة ، نعتبر ωc = 1 ونحل وظيفة النقل

بالنسبة s = jω .i.e. H (s) = s / (s + c) = s / (s + 1) للطلب 1:

H (s) = s ^ 2 / (s ^ 2 + ∆ωs + (ωc ^ 2) للطلب 2

لذلك فإن وظيفة التحويل الخاصة بالتتالي في مرشح التمرير العالي هي

بودي قطعة أرض من الزبدة تستحق فلتر تمرير عالي

تطبيقات مرشح الترددات العالية

تتضمن تطبيقات مرشح التمرير العالي بشكل أساسي ما يلي.

• تستخدم هذه المرشحات في مكبرات الصوت للتضخيم.
• يتم استخدام مرشح التمرير العالي لإزالة الأصوات غير المرغوب فيها بالقرب من الطرف السفلي من النطاق المسموع.
• لمنع تضخيم العاصمة الحالية التي يمكن أن تضر بمكبر الصوت ، يتم استخدام مرشحات التمرير العالي لاقتران التيار المتردد.
• مرشح الترددات العالية معالجة الصورة : تُستخدم مرشحات التمرير العالي في معالجة الصور لتوضيح التفاصيل. من خلال تطبيق هذه المرشحات على صورة يمكننا المبالغة في كل جزء صغير من التفاصيل في الصورة. لكن المبالغة في ذلك يمكن أن تلحق الضرر بالصورة لأن هذه المرشحات تضخم التشويش في الصورة.

لا يزال هناك الكثير من التطورات في تصميم هذه المرشحات لتحقيق نتائج مستقرة ومثالية. تلعب هذه الأجهزة البسيطة دورًا مهمًا في متنوع أنظمة التحكم ، الأنظمة الأوتوماتيكية ، معالجة الصور والصوت. أي من تطبيق مرشح دقيق هل جئت عبر