Nos dispositivos eletrônicos atuais, muitas aplicações práticas utilizam implementação de filtragem de hardware. Essas aplicações incluem eletrocardiogramas (ECG), câmeras de processamento de imagem, etc. Eletrocardiogramas são dispositivos médicos que registram a atividade do coração humano usando uma abordagem não invasiva, codificando os batimentos cardíacos em sinais. Mas antes de ler as informações desses sinais elétricos, eles são filtrados de sinais ruidosos indesejados introduzidos pelo ambiente, usando muitos filtros de hardware, como filtros passa-baixa, passa-alta e filtros notch.
Neste artigo, tentaremos praticar o uso de componentes eletrônicos de hardware projetando alguns filtros de hardware para capturar suas formas de onda de entrada e saída no osciloscópio.
Filtro passa-baixa: Como sabemos, o filtro passa-baixa passa os componentes de baixa frequência de qualquer sinal sem atenuação (diminuição de potência). Componentes de baixa frequência podem ser definidos usando a frequência de corte do filtro de hardware projetado.
Fig. 1: A imagem mostra a especificação do filtro passa-baixa de primeira ordem projetado
O design acima tem uma frequência de corte de aproximadamente 1KHz. Portanto, este filtro passa-baixa atenuará as frequências acima de 1KHz e passará os componentes de frequência abaixo de 1KHz.
O sinal de entrada tem uma amplitude pico a pico de 5 Volts.
Na tela do osciloscópio abaixo, a entrada está em vermelho e a saída em amarelo. E é claramente mostrado que uma frequência baixa de 500 Hz passa pelo filtro projetado acima, que possui uma frequência de corte de 1 KHz.
Não há atenuação no sinal de saída.
Problema vermelho – Frequência do sinal de entrada
Problema amarelo – Frequência do sinal de saída
Fig. 2: A imagem mostra a variação de saída para uma baixa frequência de 500 Hz que passa pelo filtro projetado acima
Mas quando a frequência do sinal de entrada é aumentada de 500 Hz para 5KHz. Os componentes de alta frequência são atenuados. Isso pode ser visto na figura abaixo. A amplitude do sinal é atenuada de 5 V a 1 V.
Fig.3: A imagem mostra a saída atenuada quando a frequência de entrada é aumentada de 500 Hz para 5KHz
Estudamos o filtro passa-baixa de primeira ordem, que é projetado usando um resistor e um capacitor em série. Mas às vezes, não é necessário que todos os componentes de frequência ruidosos possam ser removidos usando apenas um filtro passa-baixa de ordem única.
Assim, um designer precisa de um filtro de segunda ordem.
Filtro passa-baixa de segunda ordem
O filtro passa-baixa de segunda ordem pode ser projetado adicionando mais um estágio de filtro passa-baixa ao filtro passa-baixa de primeira ordem. Filtros passa-baixa de ordem superior são obtidos para remover ou atenuar completamente os componentes de alta frequência do sinal de entrada.
Uma determinada fórmula calcula a frequência de corte de segunda ordem.
Fig.4: A imagem mostra a especificação do filtro de segunda ordem
Fig.5: Imagem mostra entrada e saída na tela do osciloscópio para filtro de segunda ordem
Na figura acima, um sinal de frequência de 300 Hz passa por um filtro de segunda ordem com frequência de corte de 1 kHz. Assim, o circuito acima passa a frequência do sinal abaixo de 1 kHz e interrompe os componentes de frequência acima de 1 kHz.
Quando um sinal de frequência de 3 kHz passa pelo filtro projetado acima. O sinal de saída é quase perdido ou atenuado porque este filtro passa-baixa atenua a frequência acima de sua frequência de corte de 1 kHz.
Fig. 6: A imagem mostra o sinal atenuado final para o filtro projetado
Filtro passa-alta: O filtro passa-alta é o complemento funcional do filtro passa-baixa. Como estudamos, o filtro passa-alta possui componentes de alta frequência na banda passante e componentes de baixa frequência na banda de parada.
Foi projetado um filtro passa-alta, que possui uma frequência de corte de aproximadamente 1KHz. Os componentes eletrônicos e seus valores utilizados no projeto são mostrados na figura abaixo.
Fig. 6: A imagem mostra a especificação do filtro passa-alta projetado.
Quando um sinal de 500 Hz passa pelo filtro passa-altas, que possui frequência de corte em torno de 1 kHz, esse filtro atenua o sinal de entrada, conforme mostrado na figura abaixo. A amplitude do sinal desce de 4,64 V para 2,80 V pico a pico.
Problema vermelho – Frequência do sinal de entrada
Problema amarelo – Frequência do sinal de saída
Fig. 7: A imagem mostra o sinal de saída atenuado para sinal de entrada de 500 Hz na frequência de corte de 1 KHz
E quando um sinal com componentes de alta frequência passa do circuito acima. Observa-se que os componentes de alta frequência passam sem qualquer atenuação do filtro.
Isso pode ser visto na figura abaixo.
Fig. 8: A imagem mostra a saída para entrada de alta frequência para filtro passa-alta
Na figura acima, um sinal de entrada é de 2 kHz (mostrado na cor VERMELHA) e o sinal filtrado (saída) também é de 2 kHz (mostrado na cor amarela). É assim que funciona o filtro passa-alta.
