Высокочастотный фильтр: принцип работы и применение.

Введение

Тип электронной схемы или оптического фильтра – электронный компонент.

Высокочастотный фильтр (HPF) – это электронный фильтр, который пропускает сигналы с частотой выше определенной частоты среза и ослабляет сигналы с частотами ниже частоты среза. Степень ослабления для каждой частоты зависит от конструкции фильтра. Высокочастотный фильтр обычно моделируется как линейная стационарная система. В контексте аудиотехники его иногда называют фильтром нижних частот или фильтром подавления басов. Высокочастотные фильтры имеют множество применений, например, для блокировки постоянного тока в схемах, чувствительных к ненулевому среднему напряжению, или в радиочастотных устройствах. Они также могут использоваться совместно с фильтром нижних частот для создания полосно-пропускающего фильтра. В оптике фильтры часто характеризуются длиной волны, а не частотой. Высокочастотные и низкочастотные фильтры имеют противоположные свойства: "высокочастотный" фильтр (чаще называемый "фильтром коротких волн") пропускает только короткие длины волн (высокие частоты), а "низкочастотный" фильтр (чаще называемый "фильтром длинных волн") – наоборот.

Описание

В электронике фильтр — это двухпортовая электронная схема, которая удаляет частотные компоненты из сигнала (изменяющегося во времени напряжения или тока), подаваемого на входной порт. Высокочастотный фильтр ослабляет частотные компоненты ниже определенной частоты, называемой частотой среза, пропуская при этом компоненты с более высокой частотой. Это противопоставляется низкочастотному фильтру, который ослабляет частоты выше определенной частоты, и полосному фильтру, который пропускает определенный диапазон частот и ослабляет частоты как выше, так и ниже этого диапазона. В оптике высокопропускной фильтр представляет собой прозрачное или полупрозрачное окно из цветного материала, которое пропускает свет с длиной волны больше определенной и ослабляет свет с меньшей длиной волны. Поскольку свет часто измеряется не частотой, а длиной волны, которая обратно пропорциональна частоте, оптический фильтр, ослабляющий световые частоты ниже частоты среза, часто называют фильтром коротких волн; он ослабляет более длинные волны.

Высшие порядки

Фильтры более высокого порядка имеют более крутой спад в полосе задерживания, при этом спад фильтра n-го порядка составляет 20n дБ на декаду. Фильтры более высокого порядка можно получить, последовательно соединяя фильтры первого порядка. В то время как при последовательном соединении пассивных фильтров необходимо учитывать согласование импедансов и нагрузку, активные фильтры легко соединяются последовательно, поскольку сигнал восстанавливается на выходе операционного усилителя на каждом каскаде. Существуют различные топологии фильтров и методы синтеза фильтров для фильтров более высокого порядка, упрощающие их разработку.

Аудио

Высокочастотные фильтры имеют множество применений. Они используются как часть аудиокроссовера для направления высоких частот на твитер, при этом ослабляя басовые сигналы, которые могут мешать или повредить динамик. Когда такой фильтр встроен в корпус акустической системы, это обычно пассивный фильтр, который также включает в себя низкочастотный фильтр для вуфера и поэтому часто использует как конденсатор, так и индуктор (хотя очень простые высокочастотные фильтры для твитеров могут состоять только из последовательного конденсатора). Например, приведенная выше формула, примененная к твитеру с сопротивлением 10 Ом, определит значение конденсатора для частоты среза 5 кГц, или примерно 3,2 мкФ. Альтернативным решением, обеспечивающим хорошее качество звука без использования индукторов (которые подвержены паразитному взаимодействию, дороги и могут иметь значительное внутреннее сопротивление), является применение биусиления с активными RC-фильтрами или активными цифровыми фильтрами с отдельными усилителями мощности для каждого динамика. Такие кроссоверы линейного уровня с низким током и низким напряжением называются активными кроссоверами. Однако базовая конструкция этой модели была заменена более новыми разработками, такими как серия Crown Macro Tech, разработанная в конце 1980-х годов, которая включала высокочастотную фильтрацию 10 Гц на входах и переключаемую высокочастотную фильтрацию 35 Гц на выходах. Другим примером является серия усилителей QSC Audio PLX, которая включает внутренний высокочастотный фильтр 5 Гц, который применяется к входам при отключенных дополнительных высокочастотных фильтрах 50 и 30 Гц. Микшерные консоли часто включают высокочастотную фильтрацию на каждой полосе канала. Некоторые модели имеют высокочастотные фильтры с фиксированным наклоном и фиксированной частотой на 80 или 100 Гц, которые можно включить; другие модели имеют регулируемые высокочастотные фильтры, фильтры с фиксированным наклоном, которые можно установить в пределах определенного диапазона частот, например, от 20 до 400 Гц на Midas Heritage 3000 или от 20 до 20 000 Гц на цифровой микшерной консоли Yamaha M7CL. Опытный системный инженер и звукорежиссер Брюс Мэйн рекомендует включать высокочастотные фильтры для большинства входных источников микшера, за исключением таких источников, как бас-барабан, бас-гитара и фортепиано, которые будут содержать полезные низкочастотные звуки. Мэйн пишет, что входы DI-бокса (в отличие от микрофонных входов) не нуждаются в высокочастотной фильтрации, поскольку они не подвержены модуляции низкочастотными звуками, исходящими от сабвуферов или системы оповещения и распространяющимися по сцене. Мэйн указывает, что высокочастотные фильтры обычно используются для направленных микрофонов, которые имеют эффект близости — усиление низких частот для очень близких источников. Это усиление низких частот часто вызывает проблемы до 200 или 300 Гц, но Мэйн отмечает, что он видел микрофоны, которым полезна настройка высокочастотного фильтра 500 Гц на консоли.

High pass filters have many applications. They are used as part of an audio crossover to direct high frequencies to a tweeter while attenuating bass signals which could interfere with, or damage, the speaker. When such a filter is built into a loudspeaker cabinet it is normally a passive filter that also includes a low pass filter for the woofer and so often employs both a capacitor and inductor (although very simple high pass filters for tweeters can consist of a series capacitor and nothing else). As an example, the formula above, applied to a tweeter with a resistance of 10 Ω, will determine the capacitor value for a cut off frequency of 5 kHz. , or approx 3.2 μF. An alternative, which provides good quality sound without inductors (which are prone to parasitic coupling, are expensive, and may have significant internal resistance) is to employ bi amplification with active RC filters or active digital filters with separate power amplifiers for each loudspeaker. Such low current and low voltage line level crossovers are called active crossovers. However, that model's basic design has been superseded by newer designs such as the Crown Macro Tech series developed in the late 1980s which included 10 Hz high pass filtering on the inputs and switchable 35 Hz high pass filtering on the outputs. Another example is the QSC Audio PLX amplifier series which includes an internal 5 Hz high pass filter which is applied to the inputs whenever the optional 50 and 30 Hz high pass filters are turned off. Mixing consoles often include high pass filtering at each channel strip. Some models have fixed slope, fixed frequency high pass filters at 80 or 100 Hz that can be engaged; other models have sweepable high pass filters, filters of fixed slope that can be set within a specified frequency range, such as from 20 to 400 Hz on the Midas Heritage 3000, or 20 to 20,000 Hz on the Yamaha M7CL digital mixing console. Veteran systems engineer and live sound mixer Bruce Main recommends that high pass filters be engaged for most mixer input sources, except for those such as kick drum, bass guitar and piano, sources which will have useful low frequency sounds. Main writes that DI unit inputs (as opposed to microphone inputs) do not need high pass filtering as they are not subject to modulation by low frequency stage wash—low frequency sounds coming from the subwoofers or the public address system and wrapping around to the stage. Main indicates that high pass filters are commonly used for directional microphones which have a proximity effect—a low frequency boost for very close sources. This low frequency boost commonly causes problems up to 200 or 300 Hz, but Main notes that he has seen microphones that benefit from a 500 Hz high pass filter setting on the console.

Изображение

Высокочастотные и низкочастотные фильтры также используются в цифровой обработке изображений для модификации, улучшения, подавления шума и других операций, реализуемых в пространственной или частотной областях. Операция нерезкого маскирования, или повышения резкости, применяемая в программах для редактирования изображений, представляет собой фильтр высокого усиления – обобщение высокочастотного фильтра.