Notch-Filter-Design:Ein Schmalbandfilter zur gezielten Geräuschdämpfung

Rauschen und Interferenzen sind beim Umgang mit elektrischen Geräten üblich, da verschiedene Schaltkreise unterschiedliche Signalfrequenzen erzeugen, die kollidieren. Solche Probleme sind bei Kommunikationsgeräten weit verbreitet, die leicht durch Stromleitungen beeinträchtigt werden. Wenn Sie solche Probleme haben, gibt es eine Möglichkeit, die unerwünschten Frequenzen mit einem Notch-Filter-Design herauszufiltern. Es gibt verschiedene Arten von Kerbfiltern, 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.

Was ist ein Kerbfilter?

Auch als Bandsperrfilter oder Bandsperrfilter bekannt, ist ein Kerbfilter ein Gerät, das eine hohe Dämpfung auf einer schmalen Kerbe erzeugt. Dieses Frequenzband wird abgelehnt, aber alle anderen unterhalb oder oberhalb des blockierten Bereichs können übertragen werden.

Diagramm, das den Frequenzgang eines 50-Hz-Audiofilters zeigt. Beachten Sie die schmale V-Form der blockierten Frequenzen.

Quelle:Wikimedia Commons.

Das Gerät ist praktisch, um bestimmte Geräusche herauszufiltern, wie z. B. das 60-Hz-Brummen, das von einer Wechselstromquelle kommt.

Kerbfiltereigenschaften

Kerbfilter haben drei Attribute:

• Schmale Bandbreite (Sperrband)
• Große Dämpfungstiefe
• Hoher Q

Um ein hohes Q zu erreichen, benötigen Sie eine nahezu unendliche Dämpfungstiefe und einen Operationsverstärker mit hoher Verstärkung in der Schaltung.

Kerbfiltertypen

Kerbfilterdesigns bestehen aus drei Komponenten. Ein Tiefpassfilter dämpft die hohen Frequenzen, ein Hochpassfilter blockiert die niedrigen Frequenzen und ein Summierverstärker kombiniert die Ergebnisse.

Es gibt jedoch verschiedene Arten von Kerbfiltern, und jeder hat ein einzigartiges Schaltungsdesign. Dazu gehören:

Aktiver Kerbfilter

Schaltplan eines aktiven Kerbfilters

Der grüne Teil bildet in diesem aktiven Filter den Tiefpassfilter, während der blaue Teil den Hochpassfilter bildet. Diese werden vom Operationsverstärker (orangefarbene Komponenten) zusammengefasst.

Passiver Kerbfilter

Im Gegensatz zu einem aktiven Kerbfilter hat dieser Typ nur passive Komponenten. Es fehlen Verstärker, die den aktiven Teil der Schaltung bilden.

Schaltplan des passiven Kerbfilters, der die Tief- und Hochpassfilter in T-Konfigurationen zeigt

Die orangefarbenen Anteile bilden im Diagramm den Tiefpassfilterabschnitt, während die blauen Anteile den Hochpassfilter bilden.

RLC-Kerbfilter

Wie der Name schon sagt, ist ein RLC-Kerbfilter ein passiver Typ, da die Schaltung nur einen Widerstand (R), eine Induktivität (L) und einen Kondensator (C) hat.

Ein RLC-Kerbfilter

Butterworth-Kerbfilter

Ein Butterworth-Kerbfilter erzeugt ein möglichst flaches Ansprechverhalten und ist damit zuverlässig und hochpräzise. Die meisten medizinischen Geräte, wie z. B. EKGs, verfügen über das Gerät.

Butterworth-Tiefpassfilter 4. Ordnung

FM-Kerbfilter

FM-Kerbfilter helfen, starke FM-Signale zu unterdrücken, die eine Sättigung des Empfängers verursachen. Die Frequenzmodulation im selben Band hat zugenommen, hauptsächlich aufgrund lokalisierter Audioübertragungen, daher ist dieses Gerät für die Geräuschreduzierung von entscheidender Bedeutung.

Ein UKW-Kerbfilter für UKW

Die anderen Typen umfassen optische, HF- und inverse Sperrfilter. Es mag mehr geben, aber alle haben einen aktiven oder passiven Kerbfilter als zugrundeliegende Schaltung. Die einzige Möglichkeit, zwischen den beiden zu unterscheiden, besteht darin, ob das Schaltungsdesign eine aktive Komponente (Verstärkerschaltung) enthält oder nicht.

Designbeispiel für Kerbfilter

Das grundlegende Design eines Kerbfilters

Wie bereits erwähnt, besteht ein Kerbfilter aus drei Hauptkomponenten:einem Tiefpassfilter, einem Hochpassfilter und einem Verstärker. Zusammen dämpfen die drei einen schmalen und spezifischen Frequenzbereich.

Kurvenantwort, die das schmale V-Sperrband eines Kerbfilters zeigt

Quelle:Wikimedia Commons.

Die gebräuchlichste Kerbfiltertopologie ist das grundlegende Twin-T-Kerbfilterdesign. Es ist eine Kombination aus zwei RC-Zweigen.

Eine einfache Twin-T-Kerbfilterschaltung

Die obere T-Konfiguration (in Rot) ist der Tiefpassfilter, während die untere T-Konfiguration (in Grün) der Hochpassfilter ist.

Wenn Sie jedoch einen geringeren Unterdrückungspegel mit einem hohen Dämpfungspegel erreichen möchten, müssen Sie einen Operationsverstärker einführen.

Ein Twin-T-Kerbfilter mit einem Operationsverstärker. Die beiden orangefarbenen Widerstände bilden den Spannungsteiler

Die Schaltung hat noch ein großes Problem. Es erhöht die Verstärkung nach der V-Dämpfung in der Antwortkurve. Daher müssen Sie einen weiteren Operationsverstärker einbauen, um zu verhindern, dass die Schaltung das Durchlassband ändert.

Kerbfilterdesign mit zwei Operationsverstärkern

Designbeispiel

Angenommen, wir möchten zwei Operationsverstärker mit einer Sperrfrequenz von 1 kHz und einer Bandbreite von 3 dB von 100 Hz entwerfen. Betrachten Sie den Wert der Hochpassfilter-Kondensatoren als 0,1 uF.

Wir können die Formel verwenden, um die Kerbfilterfrequenz zu erhalten, die lautet:

Daher können wir das aktive Kerbfilter für eine Kerbtiefe von 20 dB wie folgt entwerfen:

Ein Kerbfilter mit zwei Operationsverstärkern für eine Kerbtiefe von 20 dB

Entwerfen Sie einen RLC-Kerbfilter

Ein weiteres sehenswertes Beispiel ist der RLC-Kerbfilter. 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, gehen Sie wie folgt vor.

Ein RLC-Kerbfilter für 23-kHz- und 25-kHz-Grenzfrequenzen

Notch-Filter-Übertragungsfunktion

BW ist die Bandbreite.

W_Z die Nullkreisfrequenz (Grenzfrequenz) ist, während W_P ist die Polkreisfrequenz. W_P bestimmt den Typ/die Eigenschaften des Filters, und es gibt drei Möglichkeiten.

• Wenn die Polkreisfrequenz höher ist als die Nullkreisfrequenz (W_P>W_Z ), dann ist es ein Hochpass-Notchfilter
• Wenn die Polkreisfrequenz niedriger ist als die Nullkreisfrequenz (W_P Z ), dann ist es ein Tiefpass-Kerbfilter
• Wenn die beiden jedoch gleich sind, dann haben Sie einen Standard-Kerbfilter

Daher können Sie die Formel eines Standard-Kerbfilters wie folgt umschreiben:

W_C die Breite des zurückgewiesenen Bandes ist, während W₀ ist die zurückgewiesene Frequenz (zentral).

Notch-Filter-Anwendungen

• Kommunikationssysteme:Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Nachrichtensignale durch harmonisches Rauschen (insbesondere durch Stromleitungen) gestört werden, und Kerbfilter helfen, diesen Frequenzbereich zu entfernen.
• Audioanwendungen (akustische Anwendungen):Brummgeräusche können in audiotechnischen Geräten wie Verstärkern und PA-Systemen verzerren oder scharfe Spitzen erzeugen, aber Kerbfilter können diese Frequenzen eliminieren.
• Medizintechnik:Stromleitungsstörungen können EEG- und EKG-Messungen durcheinander bringen. Kerbfilter helfen dabei, dieses Powerline-Rauschen aus den biomedizinischen Signalen zu eliminieren.
• Internetdienste:Die Internetübertragung über Telefonleitungen, wie z. B. DSL, ist anfällig für unerwünschte Interferenzen, und die einzige Möglichkeit, damit umzugehen, ist ein Sperrfilter als Rauschunterdrücker für die Leitung.
• Digitale Signal- und Bildverarbeitung
• Optische Anwendungen

Zusammenfassung

Notch-Filter sind praktische Geräte in mehreren Anwendungen, vor allem, weil sie durch Wechselstromquellen verursachte Interferenzen 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 PCBs, Widerstände, Kondensatoren und alle Teile zu erhalten, die zum Einrichten des Filters erforderlich sind.