Að skilja rafrænar síur gerðir, hönnun og forrit

Rafeindasíur eru hringrásir sem stjórna hvaða tíðni fer og hverjar eru lokaðar, halda merkjum skýrum og áreiðanlegum. Þau eru notuð í raforkukerfi, hljóðtækjum, samskiptatenglum og gagnaöflun. Þessi grein útskýrir síugerðir, hugtök, svarfjölskyldur, hönnunarskref og forrit í smáatriðum.

Rafræn sía yfirlit

Rafeindasía er hringrás sem stjórnar því hvaða hlutar merkis eru geymdir og hverjir minnka. Það virkar með því að láta gagnlegar tíðnir fara framhjá en veikja þær sem ekki er þörf á. Í raforkukerfum fjarlægja síur óæskilegan hávaða og viðhalda stöðugu rafmagni. Í hljóði stilla þeir hljóðgæði og aðskilja svið, svo sem bassa og diskant. Í samskiptum hjálpa síur merkjum að vera skýr og nákvæm. Án þeirra myndu mörg kerfi ekki ganga snurðulaust eða áreiðanlega.

Kjarnategundir rafrænnar síu

Lágrásarsía (LPF)

LPF sendir merki undir niðurskurðartíðni og dregur úr hærri. Það sléttir úttak aflgjafa, fjarlægir hávaða í hljóði og kemur í veg fyrir samnefni í stafrænum hringrásum. Einföld RC sía er algengt dæmi.

Hápassía (HPF)

HPF fer yfir tíðni yfir viðmiðunarmörk og hindrar lægri. Það er notað í hljóði fyrir tvítera, í AC tengingu til að fjarlægja DC offset og í tækjum til að draga úr reki. Raðþétti við amplifier inntak er grunnform.

Band-Pass sía (BPF)

BPF leyfir aðeins valnu tíðnisviði að fara framhjá á meðan öðrum er hafnað. Það er nauðsynlegt í útvarpsmóttakara, þráðlausum samskiptum og lækningatækjum eins og hjartalínuriti. LC stillt hringrás í FM útvarpi er klassískt dæmi.

Band-Stop / Notch sía (BSF)

BSF dregur úr þröngu tíðnisviðinu á meðan það fer framhjá þeim fyrir ofan og neðan. Það fjarlægir suð í hljóði, hættir truflunum í samskiptum og hafnar hávaða í hljóðfærum. Twin-T haksían er vel þekkt hönnun.

Sía hugtök Upplýsingar

Passband

Passbandið er tíðnisviðið sem sía leyfir að fara í gegnum með lágmarks deyfingu. Til dæmis, í síma, er raddsviðið 300 Hz til 3.4 kHz varðveitt svo tal haldist skýrt. Breitt, flatt passband tryggir að æskileg merki haldi upprunalegum styrk og gæðum.

Stöðvunarband

Stöðvunarbandið er tíðnisviðið sem sían dregur mjög úr til að hindra óæskileg merki eða hávaða. Þetta svæði er grundvallaratriði til að koma í veg fyrir að truflanir, röskun eða samnefni mengi gagnlegt merki. Því dýpra sem stöðvunarbandsdeyfingin er, því áhrifaríkari er sían við að hafna óæskilegri tíðni.

Niðurskurðartíðni (fc)

Stöðvunartíðnin markar mörkin milli passbandsins og stöðvunarbandsins. Í flestum síuhönnunum, eins og Butterworth síu, er það skilgreint sem tíðnin þar sem merkið lækkar um -3 dB frá passbandsstigi. Þessi punktur þjónar sem viðmið til að hanna og stilla síur til að uppfylla kerfiskröfur.

Umskipti hljómsveit

Umbreytingarbandið er hallasvæðið þar sem síuúttakið færist frá passbandinu yfir í stöðvunarbandið. Mjórra umbreytingarsvið gefur til kynna skarpari, sértækari síu, sem er æskilegt í forritum eins og rásaaðskilnaði í samskiptakerfum. Skarpari umbreytingar krefjast oft flóknari síuhönnunar eða hringrása í hærri röð.

Bode lóð í síum

Stærðargráðu söguþráður

Stærðargrafið sýnir aukningu síunnar (í desibel) á móti tíðni. Í lágrásarsíu, til dæmis, helst svörunin flöt í kringum 0 dB á framrásarbandinu og byrjar síðan að rúlla af eftir niðurskurðartíðnina, sem gefur til kynna deyfingu á hærri tíðni. Bratti þessarar rúllunar fer eftir röð síunnar: síur í hærri röð veita skarpari umskipti á milli passbandsins og stöðvunarbandsins. Stærðargröf gera það auðvelt að sjá hversu vel sía hindrar óæskilega tíðni en varðveitir æskilegt svið.

Fasa söguþráður

Fasagrafið sýnir hvernig sían færir fasa merkja á mismunandi tíðni. Þetta er mælikvarði á seinkun merkja. Við lága tíðni er fasaskiptingin oft í lágmarki, en eftir því sem tíðnin eykst, í kringum niðurskurðinn, kynnir sían meiri töf. Fasasvörun er grundvallaratriði í tímanæmum kerfum eins og hljóðvinnslu, samskiptatenglum og stjórnkerfum, þar sem jafnvel litlar tímaskekkjur geta haft áhrif á frammistöðu.

Sía pöntun og rúlla af

Grunnatriði óvirkrar síu

RC síur

RC síur eru einfaldasta óvirka hönnunin, með því að nota viðnám og þétti í samsetningu. Algengasta formið er RC lágrásarsían, sem gerir lágri tíðni kleift að fara framhjá en dregur úr hærri tíðni. Lokatíðni þess er gefin upp með:

fc =

Þetta er best til að slétta merki í aflgjafa, fjarlægja hátíðnihávaða og veita grunnmerki í hljóð- eða skynjararásum.

RL síur

RL síur nota viðnám og spólu, sem gerir þær hentugri fyrir rafrásir sem takast á við stærri strauma. RL lágrásarsía getur jafnað straum í raforkukerfum, en RL hápasssía er áhrifarík til að loka fyrir DC á meðan hún sendir AC merki. Vegna þess að spólur standast breytingar á straumi eru RL síur oft valdar í forritum þar sem orkumeðhöndlun og skilvirkni eru mikilvæg.

RLC síur

RLC síur sameina viðnám, spólur og þétta til að búa til sértækari svörun. Það fer eftir því hvernig íhlutunum er raðað, RLC net geta myndað bandpassasíur eða haksíur. Þetta er nauðsynlegt til að stilla útvarpsmóttakara, sveiflu og samskiptarásir þar sem tíðninákvæmni skiptir máli.

Tegundir síuviðbragðsfjölskyldna

Butterworth sía

Butterworth sían er metin fyrir slétt og flatt passbandssvörun án gára. Það veitir náttúrulegt, bjögunarlaust úttak, sem gerir það frábært fyrir hljóð og síun. Galli þess er hóflegur brotthvarfshraði miðað við aðrar fjölskyldur, sem þýðir að það er minna sértækt þegar þörf er á skörpum niðurskurði.

Bessel sía

Bessel sían er hönnuð fyrir nákvæmni tímasviðs og býður upp á næstum línulega fasasvörun og lágmarks bylgjulögunarröskun. Þetta gerir það best fyrir forrit eins og gagnasamskipti eða hljóð, þar sem nauðsynlegt er að varðveita lögun merkis. Tíðni valhæfni þess er léleg, þannig að það getur ekki hafnað nálægum óæskilegum merkjum eins vel.

Chebyshev sía

Chebyshev sían veitir mun hraðari velting en Butterworth, sem gerir brattari umskipti með færri íhlutum. Það nær þessu með því að leyfa stýrða gára í passbandinu. Þó að hún sé skilvirk getur gára skekkt viðkvæm merki, sem gerir það minna hentugt fyrir nákvæmt hljóð.

sporöskjulaga sía

Elliptic sían býður upp á brattasta umbreytingarbandið fyrir sem minnstan fjölda íhluta, sem gerir hana afar skilvirka fyrir þröngbandsnotkun. Skiptingin er gára bæði í passbandinu og stöðvunarbandinu, sem getur haft áhrif á tryggð merkja. Þrátt fyrir þetta er sporöskjulaga hönnun oft notuð í RF og samskiptakerfum þar sem krafist er skarprar skerðingar.

Síueinkenni: f₀, BW og Q

• Miðtíðni (f₀): Þetta er tíðnin á miðju bandi sem sía fer framhjá eða lokar. Það er fundið með því að margfalda neðri niðurskurðartíðnina og efri niðurskurðartíðnina og taka síðan kvaðratrótina.

• Bandbreidd (BW): Þetta er stærð sviðsins milli efri og neðri niðurskurðartíðni. Minni bandbreidd þýðir að sían leyfir aðeins þröngt tíðnisvið, en stærri bandbreidd þýðir að hún nær yfir meira.

• Gæðastuðull (Q): Þetta segir til um hversu skörp eða sértæk sía er. Það er reiknað með því að deila miðtíðninni með bandbreiddinni. Hærra Q gildi þýðir að sían einbeitir sér þéttar í kringum miðtíðnina, en lægra Q gildi þýðir að hún nær yfir breiðara svið.

Skref í síuhönnunarferlinu

• Skilgreindu kröfur eins og niðurskurðartíðni, magn deyfingar sem þarf fyrir óæskileg merki, ásættanlegt gárastig í passbandinu og takmörk fyrir hóptöf. Þessar forskriftir leggja grunninn að hönnuninni.

• Veldu síugerð eftir markmiðinu: lágpass til að leyfa lága tíðni, hápass til að leyfa háa tíðni, bandpass til að leyfa svið eða bandstopp til að loka fyrir svið.

• Veldu viðbragðsfjölskyldu sem hentar best forritinu. Butterworth býður upp á flatt passband, Bessel viðheldur tímanákvæmni, Chebyshev veitir skarpari afrúllun og sporöskjulaga gefur brattustu umskiptin með fyrirferðarlítilli hönnun.

• Reiknaðu röð síunnar, sem ákvarðar hversu bratt hún getur dregið úr óæskilegri tíðni. Síur í hærri röð veita sterkari sértækni en krefjast fleiri íhluta.

• Veldu staðfræði til að útfæra hönnunina. Óvirkar RC síur eru einfaldar, virkar op-amp síur leyfa ávinning og biðminni og stafrænar FIR eða IIR síur eru mikið notaðar í nútíma vinnslu.

• Líkja eftir og frumgerð síunnar áður en þú byggir hana. Eftirlíkingar og Bode-teikningar hjálpa til við að staðfesta árangur en frumgerðir sannreyna að sían uppfylli skilgreindar kröfur í reynd.

Notkun sía í rafeindatækni

Hljóð rafeindatækni

Síur móta hljóð í tónjafnara, crossovers, hljóðgervlum og heyrnartólarásum. Þeir stjórna tíðnijafnvægi, bæta skýrleika og tryggja slétt merkjaflæði í bæði neytenda- og faglegum hljóðbúnaði.

Raforkukerfi

Harmónískar síur og EMI bælingarsíur eru nauðsynlegar í mótordrifum, UPS kerfum og aflbreytum. Þeir vernda viðkvæman búnað, bæta orkugæði og draga úr rafsegultruflunum.

Öflun gagna

Anti-aliasing síur eru notaðar á undan hliðrænum-til-stafrænum breytum (ADC) til að koma í veg fyrir merkjaröskun. Í lífeðlisfræðilegum tækjum eins og EEG og hjartalínuriti mæla draga síur út þýðingarmikil merki með því að fjarlægja óæskilegan hávaða.

Samskipti

Band-pass og band-stop síur eru grundvallaratriði í RF kerfum. Þeir skilgreina tíðnirásir í Wi-Fi, farsímakerfum og gervihnattasamskiptum, sem gerir skýra merkjasendingu kleift en hafnar truflunum.

Niðurstaða

Síur eru grundvallaratriði til að móta merki fyrir skýrt hljóð, stöðugt afl, nákvæm gögn og áreiðanleg samskipti. Með því að skilja gerðir þeirra, hugtök og hönnunaraðferðir verður auðveldara að velja eða búa til síur sem halda kerfum nákvæmum og skilvirkum.

Algengar spurningar 

Spurning 1. Hver er munurinn á virkum og óvirkum síum?

Virkar síur nota op-magnara og geta magnað merki, en óvirkar síur nota aðeins viðnám, þétta og spólur án ávinnings.

Spurning 2. Hvernig eru stafrænar síur frábrugðnar hliðrænum síum?

Hliðrænar síur vinna úr samfelldum merkjum með íhlutum, en stafrænar síur nota reiknirit á sýnatökumerkjum í DSP eða hugbúnaði.

Spurning 3. Af hverju eru síur í hærri röð notaðar í samskiptakerfum?

Þeir veita skarpari skerðingar, leyfa betri aðskilnað á þéttum rásum og draga úr truflunum.

Spurning 4. Hvert er hlutverk sía í skynjurum?

Síur fjarlægja óæskilegan hávaða svo skynjarar skili hreinum og nákvæmum merkjum.

12,5 Spurning 5. Af hverju er þörf á stöðugleika síu?

Óstöðugar síur geta sveiflast eða brenglað merki, þannig að stöðugleiki tryggir áreiðanlega frammistöðu.

Spurning 6. Er hægt að stilla síur?

Já. Stillanlegar síur stilla skerðingar- eða miðtíðni sína, notaðar í útvarpstækjum og aðlögunarkerfum.