Filtragem é uma técnica usada para reter os componentes desejados e remover os componentes indesejados do sinal de entrada do sistema. No processamento de sinais, isso pode ser feito filtrando todas as outras frequências, mantendo uma faixa de frequência específica. O sinal pode ser filtrado usando dois tipos de filtros: software e hardware.
Os filtros de software e hardware funcionam da mesma maneira em relação à resposta de frequência; a única diferença está em sua implementação. Os filtros de software são projetados em código durante a criação, portanto chamados de filtros digitais. Filtros de hardware estão fisicamente presentes no projeto do circuito.
Ambos os filtros têm seus prós e contras:
- Os filtros de hardware são projetados usando componentes ativos e passivos, como resistores, capacitores, indutores e amplificadores operacionais. Mas os filtros de software são projetados por meio de codificação.
- Todo o design precisa ser alterado para alterar alguma coisa no filtro de hardware, mas no filtro de software, apenas a codificação precisa ser alterada.
- Filtros de software ou filtros digitais são mais confiáveis e fáceis de implementar em comparação com filtros de hardware ou filtros analógicos.
- Filtros analógicos de ordem superior ficam volumosos; filtros digitais não funcionam, pois são projetados no código.
- Os filtros digitais não são afetados pelo ruído ambiental; filtros de hardware ou analógicos são afetados pelo ruído ambiental.
- Os filtros analógicos são afetados pela classificação de temperatura e envelhecimento do componente ao longo do tempo; filtros digitais não.
- Os filtros digitais requerem DSP, DAC e ADC de alto desempenho. Mas os filtros analógicos não.
- Os filtros digitais são mais precisos que os filtros de hardware.
Os filtros de hardware são a realização de técnicas de filtragem de sinal usando a eletrônica de hardware mencionada acima. No processamento de sinais, o ruído é um sinal indesejado ou sem informações valiosas. Também pode ser a modificação do sinal principal durante a transmissão, armazenamento, conversão ou processamento.
Neste artigo estudaremos filtros de hardware, incluindo seus tipos, como eles podem ser projetados usando componentes ativos ou passivos e muito mais.
Terminologias
Abaixo estão algumas das terminologias usadas neste artigo.
Atenuar: Diminuindo a amplitude do sinal eletrônico sem distorção.
Sinal: Sinal é um campo eletromagnético ou energia elétrica (tensão*corrente) que transmite informações significativas entre diferentes sistemas eletrônicos.
Barulho: Sinal indesejado que adiciona valores inúteis a qualquer sinal, tornando-o não informativo.
Componentes passivos: Componentes passivos não precisam de eletricidade para funcionar como capacitores, resistores, diodos, transformadores, etc.
Componentes ativos: Componentes ativos precisam de eletricidade para funcionar como transistores.
Banda de passagem: Uma região a partir da qual um grupo de frequências pode passar de um filtro.
Parar banda: Nesta região, as frequências são atenuadas quando um sinal passa por um filtro.
Frequência 3dB (frequência de corte): frequência na qual o sinal muda sua região da banda passante para a banda final ou da banda final para a banda passante. Também é chamada de frequência de corte do sinal.
Definição
Um filtro é um circuito eletrônico projetado para modificar, remodelar ou rejeitar todos os componentes de frequência indesejados de um sinal e transmitir apenas os sinais informativos necessários. A figura abaixo mostra um sinal com ruído e um sinal filtrado.
Fig.1 Sinal com ruído e com filtro
No campo do processamento eletrônico de sinais, os sinais são processados de maneira dependente da frequência por filtros. Componentes passivos como indutores e capacitores possuem impedâncias em sua natureza. O conceito básico de filtros pode ser explicado examinando a natureza dependente da frequência dos componentes passivos.
Existem muitas aplicações práticas de filtros. Em altas frequências, um filtro passa-baixa unipolar dá estabilidade a um sistema eliminando o ganho.
O deslocamento DC pode ser bloqueado em circuitos de alimentação única ou amplificadores de alto ganho usando um filtro passa-alto unipolar. Existem muitas aplicações de filtros, como separação de sinais e atenuação de componentes de frequências indesejadas. Por exemplo, na comunicação por rádio, um sinal atenuante é transmitido normalmente com ganho. O efeito de aliases também pode ser eliminado usando filtros no sistema A/D na conversão de dados. Os filtros podem ser usados para reconstruir o sinal de saída de D/A e podem suavizar um sinal ao remover componentes de frequência mais alta, como a frequência de amostragem e harmônicos gerados.
Fig.2 A/D e D/A com sinal filtrado.
Para o filtro ideal, a resposta de amplitude será unitária ou ganho fixo para as frequências de interesse (frequência da banda passante) e zero em todos os outros lugares (frequência da banda final). A frequência na qual a resposta muda da banda passante para a banda final é chamada de frequência de corte.
Os recursos dos filtros de hardware incluem:
- Ele pode ser implementado usando apenas componentes passivos, como resistores e capacitores ou indutores e capacitores.
- Ele pode ser projetado em vários pedidos de acordo com os requisitos de filtragem de sinal.
- Simples de analisar. Nenhum software é necessário para ver a resposta.
- Pode ser usado em muitos campos como telecomunicações, sinais analógicos, aquisição de dados, etc.
- Redução ou filtragem de ruído da fonte de alimentação.
O filtro eletrônico é o circuito que passa alguns componentes de frequência do circuito e rejeita ou atenua todos os outros componentes de frequência. Com base na banda de frequência que passa pelo filtro, os filtros podem ser classificados em quatro tipos diferentes.
Filtro passa-baixo
Um filtro passa-baixo ideal tem frequências baixas na banda passante e frequências mais altas na banda de parada. Os componentes ativos e passivos disponíveis no filtro passa-baixa atenuam os componentes de alta frequência do sinal que passa por ele. Por exemplo, uma guitarra eletrônica possui um botão de tom equipado com um filtro passa-baixo para reduzir os agudos do som.
Fig.3 Botão de tom de guitarra eletrônica.
A figura abaixo mostra a resposta de frequência de um filtro passa-baixa ideal.
Fig. 4 Frequência do filtro passa-baixo ideal
Filtro passa-alta
Um filtro passa-alta ideal possui altas frequências na banda passante e baixas frequências na banda de parada. Os componentes ativos e passivos disponíveis no filtro passa-alta atenuam os componentes de baixa frequência do sinal que passa por ele. Por exemplo, na gravação de sinal de áudio, um filtro alto é usado para eliminar o deslocamento DC do áudio.
Fig.5 Microfone
A figura abaixo mostra a resposta de frequência de um filtro passa-altas ideal.
Fig.6 Frequência para filtro passa-alta
Filtro passa-banda
Um filtro passa-banda é um filtro que possui dois pontos de transição – um de banda de parada para banda de passagem e o segundo de banda de passagem para banda de parada. Isso significa que este filtro possui duas frequências de corte em sua resposta de frequência. O filtro passa por um conjunto de frequências que estão na região da banda passante. Por exemplo, na comunicação sem fio (comunicação RF), um filtro passa-banda é usado para suportar uma banda de frequência.
Fig.7 Sistema de comunicação RF
A figura abaixo mostra a resposta de frequência de um filtro passa-banda ideal.
Fig. 8 Frequência do filtro passa-banda
Rejeição de banda ou filtro notch
Um filtro de rejeição de banda é um filtro que atenua uma banda de frequência que está abaixo dessa área de banda de parada. Assim como o filtro passa-banda, ele também possui dois pontos de transição ou frequências de corte. Este filtro também é chamado de filtro notch e é usado para remover uma frequência específica do sinal que passa pelo filtro de rejeição de banda. Por exemplo, no sistema de áudio, o filtro de rejeição de banda é usado para remover o zumbido interferente da linha de energia de uma frequência específica, como 50 Hz na Índia.
Fig. 9 Resposta de frequência do filtro de rejeição de banda ideal
Um filtro prático possui cinco parâmetros e normalmente exibe uma ou mais variáveis. Os parametros:
- A frequência de corte é a frequência na qual a resposta do filtro sai da banda passante.
- A frequência da banda de parada é a frequência na qual a atenuação mínima é alcançada na banda de parada.
- A ondulação da banda passante é a variação na resposta do filtro na banda passante.
- O ângulo agudo do filtro é definido como a ordem (M) do filtro.
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O número de pólos na função de transferência também é chamado de ordem do filtro. Um pólo é a raiz do denominador da função de transferência e um zero é a raiz do numerador da função de transferência.
Não é necessário que todos os filtros tenham esses recursos. Por exemplo, se não houver zeros na função de transferência (todas as configurações de pólo), não haverá ondulação na banda de parada. Os filtros Butterworth e Bessel são todos filtros polares que não apresentam ondulação na banda passante.
Se você estiver projetando um filtro antialiasing para um ADC, precisará saber a frequência de corte (frequência máxima que deseja passar), a frequência da banda de parada e a atenuação máxima necessária. A partir daí, você pode ir para outros parâmetros, como ordem do filtro, f0e Q. Esses parâmetros serão discutidos no próximo artigo.