En los dispositivos electrónicos actuales, muchas aplicaciones prácticas utilizan la implementación de filtrado por hardware. Estas aplicaciones incluyen electrocardiogramas (ECG), cámaras de procesamiento de imágenes, etc. Los electrocardiogramas son dispositivos médicos que registran la actividad del corazón humano mediante un enfoque no invasivo, codificando los latidos del corazón en señales. Pero antes de leer la información de estas señales eléctricas, se filtran las señales ruidosas no deseadas introducidas desde el entorno utilizando muchos filtros de hardware, como filtros de paso bajo, paso alto y de muesca.
En este artículo, intentaremos practicar el uso de componentes electrónicos de hardware diseñando algunos filtros de hardware para capturar sus formas de onda de entrada y salida en el osciloscopio.
Filtro de paso bajo: Como sabemos, el filtro de paso bajo pasa los componentes de baja frecuencia de cualquier señal sin atenuación (disminución de potencia). Los componentes de baja frecuencia se pueden definir utilizando la frecuencia de corte del filtro de hardware diseñado.
Fig. 1: La imagen muestra la especificación del filtro de paso bajo de primer orden diseñado.
El diseño anterior tiene una frecuencia de corte de aproximadamente 1 KHz. Por lo tanto, este filtro de paso bajo atenuará las frecuencias superiores a 1 KHz y dejará pasar componentes de frecuencia inferiores a 1 KHz.
La señal de entrada tiene una amplitud pico a pico de 5 voltios.
En la siguiente pantalla del osciloscopio, la entrada está en rojo y la salida en amarillo. Y se muestra claramente que una baja frecuencia de 500 Hz pasa a través del filtro diseñado anteriormente, que tiene una frecuencia de corte de 1 KHz.
No hay atenuación en la señal de salida.
Problema rojo: frecuencia de la señal de entrada
Problema amarillo: frecuencia de la señal de salida
Fig. 2: La imagen muestra la variación de salida para una baja frecuencia de 500 Hz que pasa por el filtro diseñado arriba.
Pero cuando la frecuencia de la señal de entrada aumenta de 500 Hz a 5 KHz. Los componentes de alta frecuencia están atenuados. Esto se puede ver en la siguiente figura. La amplitud de la señal se atenúa de 5 V a 1 V.
Fig.3: La imagen muestra la salida atenuada cuando la frecuencia de entrada aumenta de 500 Hz a 5 KHz.
Estudiamos el filtro de paso bajo de primer orden, que se diseña utilizando una resistencia y un condensador en serie. Pero a veces, no es necesario que todos los componentes de frecuencia ruidosos puedan eliminarse utilizando solo un filtro de paso bajo de orden único.
Entonces un diseñador necesita un filtro de segundo orden.
Filtro de paso bajo de segundo orden
El filtro de paso bajo de segundo orden se puede diseñar agregando una etapa de filtro de paso bajo más al filtro de paso bajo de primer orden. Se obtienen filtros de paso bajo de orden superior para eliminar o atenuar completamente los componentes de alta frecuencia de la señal de entrada.
Una determinada fórmula calcula la frecuencia de corte de segundo orden.
Fig.4: La imagen muestra la especificación del filtro de segundo orden.
Fig.5: La imagen muestra la entrada y salida en la pantalla del osciloscopio para el filtro de segundo orden.
En la figura anterior, una señal con una frecuencia de 300 Hz pasa a través de un filtro de segundo orden con una frecuencia de corte de 1 kHz. Por lo tanto, el circuito anterior pasa la frecuencia de la señal por debajo de 1 kHz y detiene los componentes de frecuencia por encima de 1 kHz.
Cuando una señal de frecuencia de 3 kHz pasa a través del filtro diseñado anteriormente. La señal de salida casi se pierde o se atenúa porque este filtro de paso bajo atenúa la frecuencia por encima de su frecuencia de corte de 1 kHz.
Fig. 6: La imagen muestra la señal atenuada final para el filtro diseñado.
Filtro de paso alto: El filtro de paso alto es el complemento funcional del filtro de paso bajo. Como estudiamos, el filtro de paso alto tiene componentes de alta frecuencia en la banda de paso y componentes de baja frecuencia en la banda de parada.
Se diseñó un filtro paso alto, el cual tiene una frecuencia de corte de aproximadamente 1KHz. Los componentes electrónicos y sus valores utilizados en el proyecto se muestran en la siguiente figura.
Fig. 6: La imagen muestra las especificaciones del filtro de paso alto diseñado.
Cuando una señal de 500 Hz pasa a través del filtro de paso alto, que tiene una frecuencia de corte de alrededor de 1 kHz, este filtro atenúa la señal de entrada, como se muestra en la siguiente figura. La amplitud de la señal cae de 4,64 V a 2,80 V de pico a pico.
Problema rojo: frecuencia de la señal de entrada
Problema amarillo: frecuencia de la señal de salida
Fig. 7: La imagen muestra la señal de salida atenuada para una señal de entrada de 500 Hz a la frecuencia de corte de 1 KHz
Y cuando una señal con componentes de alta frecuencia pasa desde el circuito anterior. Se observa que los componentes de alta frecuencia pasan sin atenuación alguna del filtro.
Esto se puede ver en la siguiente figura.
Fig. 8: La imagen muestra la salida para la entrada de alta frecuencia para el filtro de paso alto.
En la figura anterior, una señal de entrada es de 2 kHz (se muestra en color ROJO) y la señal filtrada (salida) también es de 2 kHz (se muestra en color amarillo). Así funciona el filtro de paso alto.
