Notch-filterontwerp:een smalbandfilter voor specifieke ruisonderdrukking

Ruis en interferentie komen vaak voor bij het omgaan met elektrische apparaten, omdat verschillende circuits verschillende signaalfrequenties produceren die botsen. Dergelijke problemen komen veel voor bij communicatieapparaten, die gemakkelijk worden beïnvloed door hoogspanningslijnen. Als u dergelijke problemen ondervindt, is er een manier om de ongewenste frequenties uit te filteren met behulp van een notch-filterontwerp. Er zijn verschillende soorten notch-filters, en elk heeft een uniek circuitontwerp dat specifieke componenten vereist om te bouwen.

In dit artikel zullen we ze in detail bekijken om u in staat te stellen het juiste circuit te bouwen.

Wat is een notch-filter?

Ook bekend als een bandafwijzingsfilter of band-stopfilter, is een notch-filter een apparaat dat een hoge mate van demping creëert op een smalle inkeping. Het verwerpt deze frequentieband, maar staat alle andere onder of boven het geblokkeerde bereik toe om te zenden.

Grafiek die de frequentierespons van een 50Hz-audiofilter toont. Let op de smalle V-vorm van de geblokkeerde frequenties.

Bron:Wikimedia Commons.

Het apparaat is handig om bepaalde ruis weg te filteren, zoals de 60 Hz brom afkomstig van een wisselstroombron.

Kenmerken van inkepingsfilter

Inkepingsfilters hebben drie kenmerken:

• Smalle bandbreedte (stopband)
• Grote dempingsdiepte
• Hoge Q

Om een ​​hoge Q te bereiken, heb je een bijna oneindige dempingsdiepte en een operationele versterker met hoge versterking in het circuit nodig.

Typen notch-filters

Notch-filterontwerpen hebben drie componenten. Een laagdoorlaatfilter dempt de hoge frequenties, een hoogdoorlaatfilter blokkeert de lage frequenties en een optelversterker combineert de resultaten.

Er zijn echter verschillende typen notch-filters en elk heeft een uniek circuitontwerp. Ze omvatten:

Actief Notch-filter

Een actief schakelschema van de notch-filter

Het groene deel vormt het laagdoorlaatfilter in dit actieve filter, terwijl het blauwe deel het hoogdoorlaatfilter vormt. Deze worden samengevat door de op-amp (oranje componenten).

Passieve inkepingsfilter

In tegenstelling tot een actief notch-filter heeft dit type alleen passieve componenten. Het mist versterkers, die het actieve deel van het circuit vormen.

Schakelschema voor passieve inkepingsfilters met de laag- en hoogdoorlaatfilters in T-configuraties

De oranje delen vormen het laagdoorlaatfiltergedeelte in het diagram, terwijl de blauwe onderdelen het hoogdoorlaatfilter vormen.

RLC Notch-filter

Zoals de naam al doet vermoeden, is een RLC-kerffilter een passief type omdat het circuit alleen een weerstand (R), inductor (L) en condensator (C) heeft.

Een RLC-notch-filter

Butterworth Notch-filter

Een Butterworth notch-filter produceert een zo vlak mogelijke respons, waardoor deze betrouwbaar en zeer nauwkeurig is. De meeste medische apparatuur, zoals ECG's, hebben het apparaat.

4e orde Butterworth laagdoorlaatfilter

FM-notchfilter

FM-notch-filters helpen sterke FM-signalen te onderdrukken die verzadiging van de ontvanger veroorzaken. Frequentiemodulatie in dezelfde band is toegenomen, voornamelijk als gevolg van gelokaliseerde audio-uitzendingen, dus dit apparaat is cruciaal voor het verminderen van ruis.

Een VHF FM-notchfilter

De andere typen zijn optische, RF- en inverse notch-filters. Er kunnen er meer zijn, maar ze hebben allemaal een actief of passief notch-filter als het onderliggende circuit. De enige manier om onderscheid te maken tussen de twee is of het circuitontwerp een actieve component (versterkercircuit) heeft of niet.

Voorbeeld van ontwerp van notch-filter

Het basisontwerp van een notch-filter

Zoals eerder vermeld, heeft een notch-filter drie hoofdcomponenten:een laagdoorlaatfilter, een hoogdoorlaatfilter en een versterker. Gecombineerd dempen de drie een smal en specifiek frequentiebereik.

Grafische reactie die de smalle V-stopband van een inkepingsfilter toont

Bron:Wikimedia Commons.

De meest voorkomende notch-filtertopologie is het standaard twin-T notch-filterontwerp. Het is een combinatie van twee RC-takken.

Een standaard twin-T notch filtercircuit

De bovenste T-configuratie (in rood) is het laagdoorlaatfilter, terwijl de onderste T (in groen) het hoogdoorlaatfilter is.

Als u echter een smaller afwijzingsniveau wilt bereiken met een hoog dempingsniveau, moet u een operationele versterker introduceren.

Een twin-T notch-filter met een operationele versterker. De twee weerstanden in oranje vormen de spanningsdeler

Het circuit heeft nog één groot probleem. Het verhoogt de versterking na de V-verzwakking in de responscurve. Daarom moet u een andere operationele versterker introduceren om te voorkomen dat het circuit de doorlaatband verandert.

Ontwerp met twee op-amp inkepingen

Ontwerpvoorbeeld

Stel dat we twee operationele versterkers willen ontwerpen met een notch-frequentie van 1 kHz en een bandbreedte van 3 dB van 100 Hz. Beschouw de waarde van de hoogdoorlaatfiltercondensatoren als 0.1uF.

We kunnen de formule gebruiken om de frequentie van de notch-filter te krijgen, namelijk:

Daarom kunnen we het actieve inkepingsfilter voor een inkepingsdiepte van 20 dB als volgt ontwerpen:

Een inkepingsfilter met twee opamps voor een inkepingsdiepte van 20dB

Ontwerp een RLC-type inkepingsfilter

Een ander voorbeeld dat het bekijken waard is, is het RLC-notch-filter. In plaats van een twin-T-ontwerp met zes componenten, heeft deze er maar drie:een weerstand, inductor en condensator.

Als het de taak is om een ​​circuit te ontwerpen met 23 kHz en 25 kHz als afsnijfrequenties, gaat u als volgt te werk.

Een RLC notch-filter voor 23 kHz en 25 kHz afsnijfrequenties

Notch Filter Transfer-functie

BW is de bandbreedte.

W_Z is de cirkelvormige nulfrequentie (afsnijfrequentie), terwijl W_P is de poolcirkelfrequentie. W_P bepaalt het type/kenmerken van het filter, en er zijn drie mogelijkheden.

• Als de poolfrequentie hoger is dan de nulcirkelfrequentie (W_P>W_Z ), dan is het een hoogdoorlaatfilter
• Als de poolfrequentie lager is dan de nulcirkelfrequentie (W_P Z ), dan is het een laagdoorlaatfilter
• Als de twee echter gelijk zijn, heb je een standaard notch-filter

Daarom kunt u de formule van een standaard notch-filter herschrijven als:

W_C is de breedte van de afgewezen band, terwijl W₀ is de afgewezen frequentie (centraal).

Notch Filter-applicaties

• Communicatiesystemen:er is een grote kans op storing van het berichtsignaal door harmonische ruis (vooral door hoogspanningsleidingen), en inkepingsfilters helpen dit frequentiebereik te verwijderen.
• Audiotoepassingen (akoestische toepassingen):Zoemgeluiden kunnen vervormen of scherpe pieken veroorzaken in audiotechnische apparaten zoals versterkers en PA-systemen, maar inkepingsfilters kunnen deze frequenties elimineren.
• Medische techniek:Interferentie van hoogspanningslijnen kan de EEG- en ECG-metingen verstoren. Notch-filters helpen deze powerline-ruis uit de biomedische signalen te elimineren.
• Internetdiensten:internettransmissie via telefoonlijnen, zoals DSL, is gevoelig voor ongewenste interferentie, en de enige manier om hiermee om te gaan is een notch-filter als lijnruisonderdrukker.
• Digitale signaal- en beeldverwerking
• Optische toepassingen

Samenvatting

Notch-filters zijn handige apparaten in verschillende toepassingen, vooral omdat ze interferentie kunnen blokkeren die wordt veroorzaakt door wisselstroombronnen.

Als u dit apparaat wilt bouwen, zijn de bovenstaande informatie en schakelschema's voldoende om u door het proces te leiden.

U moet echter eerst de benodigde discrete componenten voor dat project kopen en wij hebben alles wat u nodig heeft. Neem contact met ons op voor betaalbare deals voor authentieke PCB's, weerstanden, condensatoren en alle onderdelen die nodig zijn om het filter in te stellen.