濾波器基本知識(shí)介紹

1、 劉占目錄目錄濾波器概述濾波器的分類 1.按所處理的信號(hào) 2.按所通過(guò)信號(hào)的頻段 3.按所采用的元器件 濾波器設(shè)計(jì) 濾波器選取 數(shù)字濾波器 模擬濾波器 濾波器內(nèi)容的拓展 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò),而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路. 濾波器中,把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍,稱為通頻帶或通帶；反之,信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù),在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過(guò)渡帶.濾波器概述濾波器概述 濾波器是能選擇、通過(guò)或抑

2、制某頻率范圍信號(hào)的電路或器件.早在19世紀(jì)80年代,電阻、電容濾波電路就已經(jīng)出現(xiàn).具有頻率選擇功能的電感、電容諧振回路(圖1)可作為最簡(jiǎn)單的濾波器. 由于許多電路和系統(tǒng)都要區(qū)分不同頻率的信號(hào),濾波器遂被廣泛地用在通信、廣播、雷達(dá)以及許多儀器和設(shè)備中. 圖1頻率選擇電路下邊介紹一下常用濾波器的材質(zhì)及工作原理下邊介紹一下常用濾波器的材質(zhì)及工作原理 陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛陶瓷材料制成.石英晶體濾波器是由SiO2材料制成.上述兩種濾波器的工作原理相同,都是利用這些材料的壓電效應(yīng),產(chǎn)生機(jī)械形變和電場(chǎng)間的相互轉(zhuǎn)變,使絕緣材料用到了交變流路中.聲表面濾波器(SAW)是由鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英晶體壓電材料為基

3、礎(chǔ)構(gòu)成的一種電-聲換能器.它是通過(guò)真空鍍法將金屬蒸發(fā)在壓電基體上,然后通過(guò)光刻工藝制成的. SAW由于采用與集成電路相同的平面加工工藝,制造簡(jiǎn)單,一致性能好,是目前應(yīng)用極為廣泛的集中選頻濾波器. 常見石英晶體濾波器和常見石英晶體濾波器和SAWSAW的一些典型參數(shù)如下的一些典型參數(shù)如下: :石英晶體濾波器指標(biāo)聲表面帶通濾波器的指標(biāo)下邊介紹一下濾波器的應(yīng)用頻率范圍下邊介紹一下濾波器的應(yīng)用頻率范圍型號(hào)型號(hào)標(biāo)稱頻率標(biāo)稱頻率f0/MHzf0/MHz 3dB3dB帶寬帶寬KHzKHz 通帶紋波通帶紋波dBdB 阻帶寬度（阻帶寬度（4040dB)KHzdB)KHz 插入損耗插入損耗dBdB中心頻率偏差中心頻

4、率偏差KHzKHzLP2107310.7202322.51LP1214121.4150.53021LT25100.02%f00.16%f0234BW6LT250252286中心頻率中心頻率/ /MHzMHz101500相對(duì)帶寬相對(duì)帶寬f/f0f/f050%以上最小帶寬最小帶寬/ /KHzKHz100矩形系數(shù)矩形系數(shù)1.15帶外抑制帶外抑制/ /dBdB60以上帶內(nèi)波動(dòng)帶內(nèi)波動(dòng)/ /dBdB0.05插入損耗插入損耗/ /dBdB最大達(dá)25dB濾波器的應(yīng)用頻率范圍濾波器的應(yīng)用頻率范圍 濾波器的應(yīng)用頻率范圍極寬,有適用于低到零點(diǎn)幾赫的濾波器,也有高到微波波段的濾波器.根據(jù)濾波頻率的中心頻率和其他要求

5、的不同,濾波器中采用各種諧振元件,電感、電容是最常用的諧振元件.對(duì)于工作于1千赫100兆赫、相對(duì)帶寬較窄且溫度和時(shí)間穩(wěn)定性要求高的濾波器,常用壓電晶體作為諧振元件(見晶體濾波器).還有用金屬棍、盤作為諧振元件的機(jī)械濾波器,和把晶體與機(jī)械濾波器原理合并而成聲表面波濾波器（圖2）. 圖2 不同的濾波器適應(yīng)的頻率范圍 常用濾波器的特點(diǎn)介紹常用濾波器的特點(diǎn)介紹 SAW的工作頻率最高.陶瓷濾波器最低；晶體濾波器的相對(duì)帶寬最窄,而SAW可窄可寬；均有一定的插入損耗,特別是多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)良好的矩形系數(shù)要求是,插入損耗會(huì)更大.使用這些濾波器時(shí)需要注意的是：所有的這些濾波器特性,均是在輸入輸出匹配的條件下測(cè)得的,

6、因此使用時(shí)必須注意濾波器的前后的阻抗匹配.濾波器有一定的插入損耗,它與放大器相連時(shí)若放在放大器前面,先濾波后放大,有利于清除干擾,但不利于整機(jī)的噪聲性能.若放在放大器后面,有利于提高噪聲性能,但干擾也被放大,特別是強(qiáng)干擾會(huì)引起一系列的失真.一般需要具體問題具體考慮. 濾波器類型濾波器類型巴特沃斯濾波器（最平坦響應(yīng)）巴特沃斯濾波器（最平坦響應(yīng)） 巴特沃斯濾波器.特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦,沒有起伏,而在阻頻帶則逐漸下降為零.巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度.特別適用于低頻,其對(duì)于維護(hù)增益的平坦性非常重要.在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上(下圖),從某一邊界角頻率開始,振幅隨著角

7、頻率的增加而逐步減少,趨于負(fù)無(wú)窮大.切比雪夫?yàn)V波器切比雪夫?yàn)V波器(1)(1) 切比雪夫?yàn)V波器是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器.在通帶波動(dòng)的為I型切比雪夫?yàn)V波器,在阻帶波動(dòng)的為 II型切比雪夫?yàn)V波器.切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快,但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦.切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小,但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng). 那么是I型和II型哪種常用呢?I型切比雪夫?yàn)V波器最為常見.II型切比雪夫?yàn)V波器,也稱倒數(shù)切比雪夫?yàn)V波器.較不常用,主要原因: 1.頻率截止速度不如I型快, 2.需要用更多的電子元件.切比雪夫響應(yīng)切比雪夫響應(yīng)(2)(2)

8、切比雪夫?yàn)V波器的頻率響應(yīng)曲線如下：兩種濾波器的使用范圍：如果需要快速衰減而允許通頻帶存在少許幅度波動(dòng),可用第一類切比雪夫?yàn)V波器.如果需要快速衰減而不允許通頻帶存在幅度波動(dòng),可用第二類切比雪夫?yàn)V波器. 橢圓函數(shù)濾波器橢圓函數(shù)濾波器 橢圓濾波器是在通帶和阻帶等紋波的一種濾波器.橢圓函數(shù)濾波器相比其他類型的濾波器,在階數(shù)相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動(dòng).它在通帶和阻帶的波動(dòng)相同,這一點(diǎn)區(qū)別在通帶和阻帶都平坦的巴特沃斯濾波器,以及通帶平坦、阻帶等波紋或是阻帶平坦、通帶等波紋的切比雪夫?yàn)V波器. 橢圓函數(shù)濾波器的頻率響應(yīng)曲線如下：三種濾波器的對(duì)比（三種濾波器的對(duì)比（1） 三種濾波器的對(duì)比（三種濾波器的

9、對(duì)比（2 2） 從上圖可以看到：巴特沃斯濾波器的衰減速度比其他類型的濾波器緩慢,但十分平坦,沒有幅度變化.兩種切比雪夫?yàn)V波器比巴特沃斯濾波器陡峭,但不如橢圓函數(shù)濾波器,然后后者幅度波動(dòng)較大.橢圓濾波器比其他濾波器更陡,因此在選擇濾波器的時(shí)候,橢圓濾波器能夠以比較低的階數(shù)獲得較窄的過(guò)度頻寬,但是它在通帶和阻帶上都有波動(dòng).濾波器的分類濾波器的分類按所處理的信號(hào)按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種.按所通過(guò)信號(hào)的頻段按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種: 1.低通濾波器:允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò),抑制高頻分量或干擾和噪聲.2.高通濾波器:允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò),抑制

10、低頻或直流分量.3.帶通濾波器:允許一定頻段的信號(hào)通過(guò),抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲. 4.帶阻濾波器:抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào),允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò).按所采用的元器件按所采用的元器件按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種.無(wú)源濾波器 無(wú)源濾波器僅由無(wú)源元件(R、L 和C)組成的濾波器它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的.這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單,不需要直流電源供電,可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗,負(fù)載效應(yīng)比較明顯,使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng),當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用.有源濾波器 有源濾波器由無(wú)源元件(一般

11、用R和C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成.這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗,而且還可以放大,負(fù)載效應(yīng)不明顯,多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小,利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無(wú)源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用.濾波器設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì) 濾波器特性可以用其頻率響應(yīng)來(lái)描述,按其特性的不同,可以分為低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器和帶阻濾波器等. 用來(lái)說(shuō)明濾波器性能的技術(shù)指標(biāo)主要有：中心頻率f0,即工作頻帶的中心頻率帶寬BW

12、通帶衰減,即通帶內(nèi)的最大衰減 阻帶衰減最小插入衰減. 現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì),多是采用濾波器變換的方法加以實(shí)現(xiàn).主要是通過(guò)對(duì)低通原型濾波器進(jìn)行頻率變換與阻抗變換,來(lái)得到新的目標(biāo)濾波器.濾波器選取濾波器選取(1)(1) 集總低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ),各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據(jù)此特性推導(dǎo)出來(lái)的.正因如此,才使得濾波器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化,精度得以提高. 理想的低通濾波器應(yīng)該能使所有低于截止頻率的信號(hào)無(wú)損通過(guò),而所有高于截止頻率的信號(hào)都應(yīng)該被無(wú)限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形,故而也稱為矩形濾波器.遺憾的是,如此理想的特性是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,所有的設(shè)計(jì)只不過(guò)是力圖逼近矩形濾波

13、器的特性而已.根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同,可以得到不同的響應(yīng).雖然逼近函數(shù)函數(shù)多種多樣,但是考慮到實(shí)際電路的使用需求,我們通常會(huì)選用“巴特沃斯響應(yīng)”或“切比雪夫響應(yīng)”.濾波器選取濾波器選取(2)(2) “巴特沃斯響應(yīng)”帶通濾波器具有平坦的響應(yīng)特性,而“切比雪夫響應(yīng)”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性.所以具體選用何種特性.需要根據(jù)電路或系統(tǒng)的具體要求而定.但是,“切比雪夫響應(yīng)”濾波器對(duì)于元件的變化最不敏感,而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性（位于通帶的中部）,所以在一般的應(yīng)用中,推薦使用“切比雪夫響應(yīng)”濾波器. 上面提到了矩形濾波器,下邊簡(jiǎn)單介紹一下什么是矩形濾波器 ? 矩形濾波器矩形濾波器 矩形

14、濾波器,是理想的低通濾波器的模型,它能使所有低于截止頻率的信號(hào)無(wú)損通過(guò),同時(shí),所有高于截止頻率的信號(hào)都應(yīng)該被無(wú)限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形,并因此而得名“矩形濾波器”. 在現(xiàn)實(shí)中，如此理想的特性是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，所有的設(shè)計(jì)只不過(guò)是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。 根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同，可以得到不同的響應(yīng)。通常會(huì)選用“巴特沃斯響應(yīng)”或“切比雪夫響應(yīng)”。 到這里大家對(duì)模擬濾波器應(yīng)該是有了一定的了解.下邊簡(jiǎn)單說(shuō)一下數(shù)字濾波器. 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器(digital filter)是指輸入輸出均為數(shù)字信號(hào),通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分的器件

15、.它工作在數(shù)字信號(hào)域,它處理的對(duì)象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字信號(hào).數(shù)字濾波器一般由寄存器、延時(shí)器、加法器和乘法器等基本數(shù)字電路實(shí)現(xiàn). 數(shù)字濾波器概述數(shù)字濾波器概述 數(shù)字濾波器是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到期望的響應(yīng)特性的離散時(shí)間系統(tǒng).數(shù)字濾波器與完全工作在模擬信號(hào)域的模擬濾波器不同.數(shù)字濾波器工作在數(shù)字信號(hào)域,它處理的對(duì)象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字信號(hào). 數(shù)字濾波器的工作方式與模擬濾波器也完全不同：后者完全依靠電阻、電容、晶體管等電子元件組成的物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)濾波功能；而前者是通過(guò)數(shù)字運(yùn)算器件對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的特性。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號(hào)時(shí),須對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換. 數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型.它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的.數(shù)字濾波器特性數(shù)字濾波器特性(1)(1)數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器更高的精度,甚至能夠?qū)崿F(xiàn)后者在理論上也無(wú)法達(dá)到的性能。數(shù)字濾波器相比模擬濾波器有更高的信噪比.這主要是因?yàn)閿?shù)字濾波器是以數(shù)字器件執(zhí)行運(yùn)算,從而避免了模擬電路中噪聲（如電阻熱噪聲）的影響。數(shù)字濾波器還具有模擬濾波器不能比擬的可靠性。