Der Alptraum eines jeden Analogentwicklers ist der Umgang mit Rauschen in seiner Schaltung. Wenn es sich um Schaltkreise, Audioverstärker oder Frequenzsignalschaltungen handelt, besteht eine sehr gute Chance, dass die Schaltung von Rauschsignalen beeinflusst wird. Von den vielen Möglichkeiten, Rauschen aus einer Schaltung zu entfernen, wird die am häufigsten verwendete als Filterschaltung bezeichnet. Wie der Name schon sagt, filtert diese Schaltung die unerwünschten Signale (Rauschen) aus dem eigentlichen Signal heraus. Es gibt viele Arten von Filterschaltungen, aber die am häufigsten verwendete und effizienteste ist der Bandpassfilter, der einfach mit einem Paar von Widerständen und Kondensatoren konstruiert werden kann. In diesem Tutorial werden wir also etwas über dieses Bandpassfilter lernen, die Theorie dahinter und wie es in praktischen Schaltungen verwendet werden kann.
Was ist ein Bandpassfilter?
Eine Bandpassfilterschaltung/ein Bandpassfilter wird verwendet, um nur einen vordefinierten Satz von Frequenzen durchzulassen. Es filtert alle Frequenzen heraus, die unterhalb und oberhalb des eingestellten Wertes liegen. Es ist eine Kombination aus einem Hochpassfilter und einem Tiefpassfilter. Ein Filter, das nur die Frequenzen durchlässt, die höher als der eingestellte Wert sind, wird als Hochpassfilter und ein Filter, das nur die Frequenzen durchlässt, die niedriger als der eingestellte Wert sind, als Tiefpassfilter bezeichnet. Ein Bandpassfilter kann durch Kaskadierung von Hoch- und Tiefpassfiltern erreicht werden. Es hat eine große Anwendung in Audioverstärkerschaltungen und drahtlosen Transceivern, bei denen der Lautsprecher nur den gewünschten Satz von Frequenzen wiedergeben und den Rest ignorieren soll.
Es gibt zwei Arten von Bandpassfiltern. Wenn die Schaltung eine Art externe Stromquelle (aktive Bauelemente) wie Transistoren usw. enthält, dann wird die Schaltung als aktiver Bandpassfilter bezeichnet, und wenn die Schaltung keine aktiven Bauelemente enthält und nur aus passiven Bauelementen wie Widerstand, Kondensator und Induktor besteht, dann wird die Schaltung als passiver Bandpassfilter bezeichnet. In diesem Artikel werden wir mehr über das passive Bandpassfilter diskutieren. Abgesehen von dieser Klassifizierung werden auch die anderen Aspekte, nach denen der Filter klassifiziert werden kann, in diesem Artikel kurz erläutert.
Bandpassfilter-Schaltung
Wie bereits erwähnt, werden wir den passiven Bandpassfilter besprechen, der aus einem Widerstand und einem Kondensator aufgebaut ist. Es ist eine Kombination aus Hochpassfilter und Tiefpassfilter. Ein Beispielschaltbild eines einfachen passiven Bandpassfilters ist unten abgebildet.
Die erste Hälfte der Schaltung ist ein Hochpassfilter, der die tiefen Frequenzen filtert und nur die Frequenz zulässt, die höher ist als die eingestellte hohe Grenzfrequenz (fcHIGH). Der Wert dieser hohen Grenzfrequenz kann mit Hilfe der Formeln berechnet werden
fcHIGH = 1 / 2π*R1*C1
Die zweite Hälfte der Schaltung ist der Tiefpassfilterkreis, der die höheren Frequenzen filtert und nur die Frequenz zulässt, die niedriger als die eingestellte tiefe Grenzfrequenz (fcLOW) ist. Der Wert der unteren Grenzfrequenz kann mit den Formeln berechnet werden
fcLOW = 1 / 2π*R2*C2
Diese Art von Filterschaltung wird als Filter 2. Ordnung bezeichnet, weil sie zwei Widerstände und zwei Kondensatoren hat. Ein Bandpassfilter kann ein Filter 2. Ordnung oder höherer Ordnung sein, da ein Minimum von zwei Widerständen und Kondensatoren für die korrekte Funktion der Schaltung erforderlich ist. Wenn nun diesem Filter eine Eingangssignalfrequenz zugeführt wird, gibt er eine Frequenz aus, die höher als fcLOW und niedriger als fcHIGH ist. Mit anderen Worten kann die Ausgangsfrequenz durch fcHIGH- fcLOW gegeben werden, die Frequenz, die zwischen diesem Bereich liegt, wird als Bandbreite bezeichnet. Daher kann die Bandbreite des Filters wie folgt berechnet werden
Bandwidth = fcHIGH- fcLOW
Frequenzgang eines Bandpassfilters
Der Frequenzgang bzw. die Bode-Plot-Kurve für ein passives Bandpassfilter zweiter Ordnung ist unten dargestellt.
Die Kurve wird gegen die Eingangsfrequenz in der X-Achse und den Ausgang in Dezibel in der Y-Achse aufgetragen. Wenn die Eingangsfrequenz kleiner als die untere Grenzfrequenz (f-low) ist, bleibt der Ausgang kleiner als -3dB und wenn sie diese Frequenz überschreitet, erreicht der Ausgang das Maximum und bleibt dort, bis die Frequenz die höhere Grenzfrequenz (f-high) überschreitet. Die Spitze, bei der die Ausgangsverstärkung maximal bleibt, wird als Resonanzfrequenz bezeichnet. Sie ist einfach das geometrische Mittel aus der oberen höheren Grenzfrequenz und der unteren Grenzfrequenz. Die Formeln zur Berechnung sind unten angegeben
Resonant frequency (Fr) =√(f – low * f - high)
Der Abstand zwischen der unteren Grenzfrequenz und der oberen Grenzfrequenz wird als Bandbreite bezeichnet. Die Eingangsfrequenz wird also nur dann durchgelassen, wenn sie innerhalb der Bandbreite liegt.
Praktisches Beispiel für Bandpassfilter
Lassen Sie uns einen einfachen Bandpass konstruieren, um einen bestimmten Satz von Frequenzen herauszufiltern und zu überprüfen, wie er tatsächlich funktioniert. Der Versuchsaufbau, den ich für dieses Tutorial verwende, ist unten abgebildet
Wie Sie sehen können, wird der Hochpassfilter mit dem Kondensator 0,1uF (C1) und dem Widerstand 1K (R1) aufgebaut. Die höhere Grenzfrequenz für diese Schaltung ist also
fcHIGH = 1 / 2π*R1*C1= 1/(2*3.17*1*10^3*0.1*10^-6)=1577 Hz
Der Tiefpassfilter wird mit dem Kondensator 470pF (C2) und dem Widerstand 87K (R2) aufgebaut. Die untere Grenzfrequenz für diese Schaltung kann wie folgt berechnet werden
fcLOW = 1 / 2π*R2*C2= 1/(2*3.14*8.7*10^3*470*10^-12)=7280 Hz
Aus den obigen Berechnungen können wir ableiten, dass die Schaltung nur Frequenzen im Bereich von 1577 Hz bis 7280 HZ zulässt und alles, was darunter oder darüber liegt, von unserem Bandpassfilter ausgefiltert wird. Prüfen wir nun, ob das auch funktioniert, indem wir die Schaltung auf einem Breadboard aufbauen. Mein Testaufbau sah in etwa so aus
Um die Schaltung zu testen, benötigen wir einen Funktionsgenerator, um ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz gesteuert werden kann. Da ich keinen hatte, entschied ich mich, mein Telefon zu verwenden, das eine Android-Anwendung hat, die die erforderlichen Frequenzen über die 3,5-mm-Kopfhörerbuchse erzeugt. Dieses Signal wird dann als die Eingangsfrequenz an die Schaltung mit einer Buchse gegeben, wie oben gezeigt.
Um die Abhängigkeit der Anwendung zu überprüfen, habe ich mit einem Oszilloskop die Frequenz des Eingangssignals gemessen und festgestellt, dass die generierte Frequenz haftet. Das untere Bild zeigt die Anwendung auf meinem Telefon, die eine Eingangsfrequenz von etwa 4.819 Hz erzeugt, und das daran angeschlossene Oszilloskop zeigt das Signal an und misst eine Frequenz von 4,816 KHz, was perfekt ist.
Nun können wir das Oszilloskop an das Ausgangssignal der Schaltung anschließen und die Eingangsfrequenz variieren. Die Schaltung wird es ermöglichen, dass alle Frequenzen, die zwischen 1500 und 7000 liegen, auf dem Oszilloskop angezeigt werden und die anderen werden herausgefiltert oder verrauscht. Beachten Sie auch, dass diese Schaltung nur zum Verständnis dient und daher vor der Anwendung in der Praxis weiterentwickelt wird. Da die Schaltung auf einer Lochrasterplatine aufgebaut ist, kann das Ausgangssignal etwas Rauschen aufnehmen; platzieren Sie den Kondensator so nah wie möglich und reduzieren Sie die Länge seiner Leitungen, um das Problem zu verringern. Ich hoffe, Sie haben das Thema Bandpassfilter verstanden. Wenn Sie Fragen haben, können Sie diese in den Kommentaren unten stellen oder das Forum nutzen.