Aluláteresztő szűrő

Az aluláteesztő szűrő áramköri jele

Az aluláteresztő szűrő olyan áramkör, mely a jel alacsony frekvenciás összetevőit átengedi, a magas frekvenciásakat kiszűri.

Az aluláteresztő szűrőt nevezik még felűlvágó szűrőnek is.

Általános karakterisztikája

• Passband: az a frekvenciatartomány, amit a szűrő átenged
• Stopband: az a frekvenciatartomány, amit a szűrő kiszűr
• Cutoff frequency: vágási frekvencia (f₀)
• Gain: erősítés (A)
• Phase: fázisforgatás (φ)

Felhasználása

Hangtechnikában

• Erősłtőknél, keverőknél magashang szabályozás (RC kör, R helyén szabályozható ellenállás)
• Kétutas hangdobozoknál a mélyhang leválasztása (LC kör)
• Utóelnyomás

Analóg videotechnikában

• Ha a videójelet aluláteresztő szűrőn vezetjük át, akkor a kép apró részletei elmosódnak. Jelentősége a képzajszűrésben van.
• A képszinkronjel leválasztása a videojelről: az aluláteresztő szűrő kimenetén a szinkronjelek jelennek meg.
• A függőleges és vízszintes szinkronjel szétválasztása: az alulátersztő szűrő kimenetén a függőleges szinkronjel jelenik meg.

Digitális jelfeldolgozás

• Kvantált hangjelen, hangfájlon magashang elnyomás
• Kvantált képjelen, képfájlon, videófájlon élsimító hatása van. Az élsimító eljárások az aluláteresztő szűrőre épülnek.
• Zajcsökkentő hatás képen és hangon is. A zajcsökkentő eljárások az aluláteresztő szűrőre épülnek.

Megvalósítása

RC szűrőként

Passzív RC szűrő

A legegyszerűbb aluláteresztő szűrő egy ellenállásból és kondenzátorból áll, az alábbi ábrán feltüntetett kapcsolási elrendezésben:

Az erősítés abszolút értéke:

$|A|={\frac {1}{\sqrt {1+2\omega ^{2}R^{2}C^{2}}}}$

Fázisforgatás:

$\phi =-\arctan(\omega RC)$

A kimeneti és bemeneti jel fáziskülönbsége φ(ω). Mivel ez ennél az áramkörnél negatív értékű, ezért a kimeneti szinuszos jel időben pozitív irányba tolódik el. A fáziskülönbségből kiszámíthatjuk, hogy mennyi a két jel közötti Δt időbeli eltolódás:

$T={\frac {1}{f}}={\frac {2\pi }{\omega }};\Delta t=\phi (\omega ){\frac {T}{2\pi }}$

Vágási frekvencia:

$f_{0}={\frac {1}{2\pi RC}}$

Ha $f>>f_{0}\Longrightarrow |A|\approx {\frac {1}{\omega RC}}\Longrightarrow$ az erősítés fordítottan arányos a frekvenciával és $u_{ki}={\frac {1}{RC}}\int u_{be}dt\Longrightarrow$ integráló elemként működik.

Ha $f=f_{0}$, akkor a kimeneti feszültség $u_{ki}$ a bemeneti jel $u_{be}$ lineárisan átvitt és integrált részének összege.

Ha $f<<f_{0}$ akkor a kimeneti és bemeneti jel megegyezik: $u_{ki}=u_{be}$

Ha bevezetjük a $p=j\omega ;P=pRC;P={\frac {p}{\omega }}={\frac {j\omega }{\omega _{0}}}=j{\frac {f}{f_{0}}}$ akkor az erősítés a következőképp alakul:

$A={\frac {1}{1+P}}$

Ha az igények meredekebb erősítés csökkenést kívánnak a vágási frekvencia közelében, akkor n aluláteresztő szűrőt kapcsolunk sorba:

ekkor az erősítés képlete:

$A={\frac {1}{(1+P_{1})(1+P_{2})(1+P_{3})...(1+P_{n})}}$

Aktív RC szűrő

Egy adott fokszám fölött nem érdemes több RC tagot összekapcsolni, mert az átvinni kívánt frekvenciatartományban is jelentősen lecsökken az átviteli szint. Ha nagyobb vágási meredekséget akarunk elérni, akkor erősítőáramkör beiktatásával kell aluláteresztő szűrőt készíteni. Egy lehetséges megvalósítás fázisfordító műveleti erősítővel:

Aktív aluláteresztő szűrőből tetszőleges darabszámú tagot kapcsolhatunk egymás után:

RL szűrőként

RLC szűrőként

LC szűrőként

Π topológia

T topológia

T topológiájú aluláteresztő LC szűrő számítása

$Z_{0(f=0)}={\sqrt {\frac {L_{1}+L_{2}}{C_{1}}}}$

$f_{0}={\frac {1}{\pi {\sqrt {C_{1}(L_{1}+L_{2})}}}}$

$L_{1}+L_{2}={\frac {2Z_{0}}{\omega _{0}}}$

$C={\frac {2}{\omega _{0}Z_{0}}}$

Programként

uint32_t original[n]; //Eredeti jelfolyam, 32bit bitmélységgel
uint32_t target[n];   //ebben a tömbben jelenik meg a szűrt változat
int i;
...
//Bemeneti paraméterek:
float delta_T, R, C;
...
float alfa = delta_T / ((R*C)+delta_T);
target[1]=alfa*original[1];
for(i=2;i<n;i++){
   target[i] = alfa*original[i]+(1-alfa)*target[i-1];
}