Was ist der Butterworth-Filter?

In der Signalverarbeitung wird ein Butterworth-Filter häufig in Audioschaltkreisen für gewerbliche Installationen, Privathaushalte und Autoradios verwendet. Das Filter besteht in der Regel aus einer Reihe von Induktivitäten und Kondensatoren in einem Schaltkreis und erzeugt keine Welligkeit bei den Frequenzen und Wellenlängen, die es durchlaufen (siehe grafische Analyse). Das System wird daher auch als maximal flaches Größenfilter bezeichnet. Es ist nach dem Ingenieur und Mathematiker Stephen Butterworth benannt, der 1930 zum ersten Mal über den Filter schrieb.

Butterworth-Filter werden in vielen Arten von Audio-Lautsprechern verwendet. Sie bieten im Allgemeinen Audio-Crossover, dh das Filtern von Audiosignalen in verschiedene Frequenzen, während Musik abgespielt wird. Die Filter halten diese Frequenzen während der Audioverarbeitung voneinander getrennt. Lautstärkeregelung und Verzerrungsregelung für analoge und digitale Systeme sind in der Regel das Ergebnis der unabhängigen Verarbeitung dieser verschiedenen Audiofrequenzen.

Es gibt verschiedene Arten von Butterworth-Filtern, die in der Regel durch Konfigurationen definiert werden, die als Topologien bezeichnet werden. Shunt-Kondensatoren und Serieninduktivitäten sind in der Cauer-Topologie angeordnet, während in einer Sallen-Key-Topologie Widerstände und Kondensatoren sowie als Operationsverstärker und Puffer bezeichnete elektronische Komponenten verwendet werden. Die verschiedenen Konfigurationen in Schaltkreisen werden normalerweise durch mathematische Formeln entwickelt, die Konzepte wie Polynome, Logarithmen und Trigonometrie enthalten.

Verschiedene Gleichungen können verwendet werden, um die Größe des Frequenzgangs, die elektrische Phase und den zeitlichen Abstand zwischen Eingang und Ausgang zu bestimmen. Die Kondensatoren und Induktivitäten können physisch umgeschaltet werden, um ein Butterworth-Hochpassfilter zu erzeugen. Eine andere Konfiguration der Schaltung erzeugt im Allgemeinen ein Bandpassfilter, während es auch möglich ist, eine Bandsperrvorrichtung herzustellen. Die Kondensatoren und Induktivitäten können auf unterschiedliche Weise gemischt werden, um die gewünschte Art von Filter zu konstruieren. Es gibt verschiedene andere Arten von Filtern, wie Bessel und Chebychev, die sich durch unterschiedliche Ansprechraten und Verluste bei der Frequenzintensität oder Dämpfung auszeichnen.

Mathematische Fähigkeiten sind im Allgemeinen erforderlich, um verschiedene Konstruktionen wie z. B. einen Butterworth-Tiefpassfilter zu erstellen. Mit Hilfe numerischer Formeln können Sie in der Regel die Eigenschaften des Filters bestimmen, z. B. die Grenzfrequenz. Es gibt jedoch Tools im Internet, mit denen diese Berechnungen automatisch für jeden durchgeführt werden können, der zum ersten Mal einen Butterworth-Filter erstellt. Der Tiefpasstyp kann unter Verwendung von Prototypschaltungen zum Entwerfen elektronischer Systeme erzeugt werden, und die meiste Zeit ist keine Erfahrung im Aufbau eines solchen Filters erforderlich, um einen solchen herzustellen.