1. Определить по частотным характеристикам сигнала:

• Анализ спектра сигнала:

Выполните спектральный анализ входного сигнала, чтобы понять распределение каждой частотной составляющей в сигнале. Например, при обработке аудиосигнала основная частотная составляющая голосового сигнала обычно находится в диапазоне от нескольких сотен Гц до нескольких тысяч Гц. Если целью является удаление высокочастотных шумовых помех, частоту среза фильтра нижних частот можно установить вблизи верхнего предела основной частотной составляющей голосового сигнала, например, около 3 кГц - 5 кГц, чтобы можно было сохранить основную составляющую голосового сигнала и эффективно отфильтровать высокочастотный шум.

• Определите ширину полосы сигнала:

Для сигналов с определенной полосой пропускания, таких как модулированные сигналы в системах связи, частота среза определяется в соответствии с полосой пропускания сигнала. Если это полосовой фильтр, частота среза должна быть установлена в диапазоне, который может просто пройти полосу пропускания сигнала. Например, если полоса пропускания сигнала связи составляет от 100 кГц до 200 кГц, нижняя предельная частота среза полосового фильтра может быть установлена немного ниже 100 кГц, а верхняя предельная частота среза может быть установлена немного выше 200 кГц, чтобы гарантировать, что сигнал может полностью пройти и эффективно подавить помехи от других частотных диапазонов.

2. Определить на основе сценариев применения и требований:

• Требования по защите от помех:

Если основная функция фильтра - подавление помех, необходимо проанализировать диапазон частот сигнала помехи. Например, в энергосистеме общие гармонические частоты помех в электросети имеют определенное распределение, например, 5-я гармоника (250 Гц, частота сети электросети моей страны составляет 50 Гц), 7-я гармоника (350 Гц) и т. д. Для подавления этих гармонических помех частота среза полосового фильтра должна быть установлена вблизи соответствующей гармонической частоты, а полоса пропускания должна быть определена в соответствии с диапазоном гармонических частот, который необходимо подавить для эффективного ослабления этих сигналов помех.

• Требования к производительности системы:

В некоторых приложениях, требующих скорости реакции системы, выбор частоты среза повлияет на динамические характеристики системы. Например, в системе управления, когда фильтр нижних частот используется для фильтрации сигнала датчика, если частота среза установлена слишком низкой, реакция сигнала будет замедлена, что повлияет на производительность системы в реальном времени; если она установлена слишком высокой, шум может быть неэффективно отфильтрован. В это время необходимо настроить частоту среза в соответствии с комплексными требованиями системы к скорости реакции и подавлению шума и найти подходящее значение с помощью экспериментов или моделирования.

3. Определите, используя формулы и графики расчета фильтра:

• Теоретический расчет:

Для некоторых распространенных типов фильтров, таких как фильтры Баттерворта и фильтры Чебышева, существуют соответствующие расчетные формулы, которые могут вычислять частоту среза на основе порядка фильтра, типа (фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, полосовой, режекторный) и желаемых частотных характеристик. Например, для фильтра нижних частот Баттерворта фактическая частота среза может быть рассчитана на основе его нормализованной расчетной формулы в сочетании с требуемым порядком фильтра и частотой среза 3 дБ (обычно определяемой как частота, при которой усиление фильтра падает до 0,707 раз).

• Схемы эталонного дизайна:

Во многих руководствах и материалах по проектированию фильтров приводятся различные графики проектирования фильтров, такие как кривые частотной характеристики, кривые характеристик затухания и т. д. Сверяясь с этими графиками, можно определить соответствующую частоту среза на основе требований к применению (таких как требуемое усиление в полосе пропускания, затухание в полосе задерживания и т. д.). Например, при проектировании полосового фильтра, глядя на график частотной характеристики полосового фильтра, найдите диапазон частот среза, который соответствует требованиям к равномерности усиления в полосе пропускания и затуханию в полосе задерживания.

4. Определите путем экспериментов и отладки:

• Постройте тестовую схему:

В реальных приложениях создайте тестовую схему, содержащую фильтр, введите реальный сигнал или сигнал, генерируемый источником аналогового сигнала, и наблюдайте его частотные характеристики, измеряя выходной сигнал фильтра. Используйте тестовое оборудование, такое как анализатор спектра, для анализа спектра выходного сигнала и настройте частоту среза в соответствии с результатами теста. Например, при отладке фильтра нижних частот для удаления шума источника питания постепенно изменяйте частоту среза фильтра, наблюдайте за уровнем шума выходного сигнала источника питания и найдите точку частоты среза с наилучшим эффектом подавления шума.

• Оптимизация и настройка:

В процессе тестирования может потребоваться несколько раз настроить частоту среза и другие параметры фильтра (такие как порядок фильтра, значения емкости и индуктивности и т. д.) для достижения наилучшего эффекта фильтрации. В то же время, учитывая влияние ошибок компонентов и факторов окружающей среды в реальной схеме на производительность фильтра, соответствующая частота среза окончательно определяется путем повторных экспериментов и оптимизации.