Notch Filter Design-Rauschen und Interferenzen sind häufig, wenn es um elektrische Geräte geht, da verschiedene Schaltkreise unterschiedliche Signalfrequenzen erzeugen, die kollidieren. Solche Probleme sind in Kommunikationsgeräten weit verbreitet, die leicht von Stromleitungen betroffen sind. Wenn solche Probleme auftreten, gibt es eine Möglichkeit, die unerwünschten Frequenzen mithilfe eines Notch-Filterdesigns herauszufiltern. Es gibt verschiedene Arten von Notch-Filtern, und jeder hat ein einzigartiges Schaltungsdesign, für dessen Bau bestimmte Komponenten erforderlich sind.
In diesem Artikel werden wir sie im Detail betrachten, damit Sie die richtige Schaltung bauen können.
Notch Filter Design-Was ist ein Notch-Filter?
Ein Notch-Filter, der auch als Bandunterdrückungsfilter oder Bandstoppfilter bezeichnet wird, ist ein Gerät, das bei einer schmalen Kerbe eine hohe Dämpfung erzeugt. Es lehnt dieses Frequenzband ab, erlaubt aber allen anderen unter oder über dem blockierten Bereich zu senden.
Grafik mit dem Frequenzgang eines 50Hz-Audiofilters. Beachten Sie die schmale V-Form der blockierten Frequenzen.
Quelle: Wikimedia Commons.
Das Gerät ist praktisch, um bestimmte Geräusche herauszufiltern, z. B. das 60-Hz-Brummen von einer Wechselstromquelle.
Notch Filter Eigenschaften
Notch-Filter haben drei Attribute:
Schmale Bandbreite (Stoppband)
Große Dämpfungstiefe
Hohes Q
Um eine hohe Q zu erreichen, benötigen Sie eine nahezu unendliche Dämpfungstiefe und einen High-Gain-Operationsverstärker in der Schaltung.
Notch-Filtertypen
Notch-Filterdesigns bestehen aus drei Komponenten. Ein Tiefpassfilter dämpft die hohen Frequenzen, ein Hochpassfilter blockiert die tiefen Frequenzen und ein Summierverstärker kombiniert die Ergebnisse.
Es gibt jedoch verschiedene Kerbfiltertypen, und jeder hat ein einzigartiges Schaltungsdesign. Dazu gehören:
Notch Filter Design-Aktiver Notch-Filter
Ein aktiver Notch-Filter-Schaltplan
Der grüne Teil bildet den Tiefpassfilter in diesem aktiven Filter, während der blaue Teil den Hochpassfilter bildet. Diese werden durch den Operationsverstärker (orange Komponenten) zusammengefasst.
Passiver Notch-Filter
Im Gegensatz zu einem aktiven Notch-Filter hat dieser Typ nur passive Komponenten. Es fehlen Verstärker, die den aktiven Teil der Schaltung bilden.
Passiver Notch-Filter-Schaltplan mit den Tief- und Hochpassfiltern in T-Konfigurationen
Die orangefarbenen Teile bilden den Tiefpassfilterabschnitt im Diagramm, während die blauen Komponenten den Hochpassfilter bilden.
RLC Notch Filter
Wie der Name schon sagt, ist ein RLC-Notch-Filter ein passiver Typ, da die Schaltung nur einen Widerstand (R), eine Induktivität (L) und einen Kondensator (C) hat.
Ein RLC-Kerbfilter
Butterworth Notch Filter
Ein Butterworth-Notchfilter erzeugt eine möglichst flache Reaktion, wodurch er zuverlässig und hochgenau ist. Die meisten medizinischen Geräte, wie EKGs, haben das Gerät.
Butterworth Tiefpassfilter 4. Ordnung
FM Notch Filter
FM-Notch-Filter helfen, starke FM-Signale abzulehnen, die eine Sättigung des Empfängers verursachen. Die Frequenzmodulation im selben Band hat zugenommen, hauptsächlich aufgrund lokalisierter Audiosendungen, so dass dieses Gerät für die Reduzierung von Rauschen entscheidend ist.
Ein VHF FM Kerbfilter
Zu den anderen Typen gehören optische, HF- und inverse Kerbfilter. Es kann mehr geben, aber alle haben einen aktiven oder passiven Notch-Filter als zugrunde liegende Schaltung. Die einzige Möglichkeit, zwischen den beiden zu unterscheiden, ist, ob das Schaltungsdesign eine aktive Komponente (Verstärkerschaltung) hat oder nicht.
Designbeispiel für Notch-Filter
Das grundlegende Design eines Notch-Filters
Wie bereits erwähnt, besteht ein Kerbfilter aus drei Hauptkomponenten: einem Tiefpassfilter, einem Hochpassfilter und einem Verstärker. Zusammen dämpfen die drei einen engen und spezifischen Frequenzbereich.
Diagrammantwort, die das schmale V-Stoppband eines Notch-Filters anzeigt
Quelle: Wikimedia Commons.
Die gebräuchlichste Notch-Filtertopologie ist das grundlegende Twin-T-Notch-Filterdesign. Es ist eine Kombination aus zwei RC-Zweigen.
Eine grundlegende Twin-T-Notch-Filterschaltung
Die obere T-Konfiguration (in rot) ist der Tiefpassfilter, während die untere T (in grün) der Hochpassfilter ist.
Wenn Sie jedoch eine engere Ablehnung mit einem hohen Dämpfungsgrad erreichen möchten, müssen Sie einen Operationsverstärker einführen.
Ein Twin-T-Notch-Filter mit Operationsverstärker. Die beiden widerstände in orange bilden den Spannungsteiler
Die Schaltung hat immer noch ein großes Problem. Es erhöht die Verstärkung nach der V-Dämpfung in der Antwortkurve. Daher müssen Sie einen anderen Operationsverstärker einführen, um zu verhindern, dass die Schaltung das Passband ändert.
Zwei Operationsverstärker-Notch-Filterdesign
Designbeispiel
Angenommen, wir möchten zwei Operationsverstärker mit einer Notchfrequenz von 1 kHz und einer Bandbreite von 3 dB von 100 Hz entwerfen. Betrachten Sie den Wert der Hochpassfilterkondensatoren als 0,1uF.
Wir können die Formel zum Abrufen der Kerbfilterfrequenz verwenden, die lautet:
Daher können wir den aktiven Kerbfilter für eine Kerbtiefe von 20 dB wie folgt auslegen:
Ein Notch-Filter mit zwei Operationsverstärkern für eine Kerbtiefe von 20 dB
Entwerfen eines RLC-Notch-Filters
Ein weiteres sehenswertes Beispiel ist der RLC-Notch-Filter. Anstatt ein Twin-T-Design mit sechs Komponenten zu haben, hat dieses nur drei: einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator.
Wenn die Aufgabe darin besteht, eine Schaltung mit 23 kHz und 25 kHz als Grenzfrequenzen zu entwerfen, erfahren Sie hier, wie Sie vorgehen müssen.
Ein RLC-Notchfilter für 23 kHz und 25 kHz Grenzfrequenzen
Notch Filter Transfer Funktion
BW ist die Bandbreite.
WZ ist die Nullkreisfrequenz (Grenzfrequenz), während WP die Polkreisfrequenz ist. WP bestimmt den Typ / die Eigenschaften des Filters, und es gibt drei Möglichkeiten.
Wenn die Polkreisfrequenz höher ist als die Nullkreisfrequenz (WP>WZ), handelt es sich um einen Hochpass-Notch-Filter
Wenn die Polkreisfrequenz niedriger ist als die Nullkreisfrequenz (WP<WZ), handelt es sich um einen Tiefpass-Notch-Filter
Wenn die beiden jedoch gleich sind, haben Sie einen Standard-Notch-Filter
Daher können Sie die Formel eines Standard-Notch-Filters wie folgt umschreiben:
WC ist die Breite des abgelehnten Bandes, während W0 die abgelehnte Frequenz (zentral) ist.
Notch Filter Anwendungen
Kommunikationssysteme: Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit von Nachrichtensignalstörungen durch harmonische Rauschen (insbesondere durch Stromleitungen), und Notch-Filter helfen, diesen Frequenzbereich zu entfernen.
Audio-Anwendungen (Akustische Anwendungen): Brummgeräusche können in Audiotechnikgeräten wie Verstärkern und PA-Systemen verzerren oder scharfe Spitzen erzeugen, aber Notch-Filter können diese Frequenzen eliminieren.
Medizintechnik: Stromleitungsinterferenzen können EEG- und EKG-Messwerte beeinträchtigen. Notch-Filter helfen, dieses Powerline-Rauschen aus den biomedizinischen Signalen zu eliminieren.
Internet-Dienste: Die Internetübertragung über Telefonleitungen wie DSL ist anfällig für unerwünschte Störungen, und die einzige Möglichkeit, damit umzugehen, ist ein Notch-Filter als Leitungsrauschreduzierer.
Digitale Signal- und Bildverarbeitung
Optische Anwendungen
Zusammenfassung
Notch-Filter sind praktische Geräte in verschiedenen Anwendungen, vor allem, weil sie Störungen durch Wechselstromquellen blockieren können.
Wenn Sie dieses Gerät bauen möchten, reichen die obigen Informationen und Schaltpläne aus, um Sie durch den Prozess zu führen.
Sie müssen jedoch zuerst die erforderlichen diskreten Komponenten für dieses Projekt kaufen, und wir haben alles, was Sie brauchen. Kontaktieren Sie uns, um erschwingliche Angebote für authentische Leiterplatten, Widerstände, Kondensatoren und alle Teile zu erhalten, die für die Einrichtung des Filters erforderlich sind.
