滤波器基本知识介绍讲解

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1、 劉占 目录 滤波器概述 滤波器的分类 1.按所处理的信号 2.按所通过信号的频段 3.按所采用的元器件 滤波器设计 滤波器选取 数字滤波器 模拟滤波器 滤波器内容的拓展 简介 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过, 而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个 选频电路. 滤波器中,把信号能够通过的频率范围,称为通频带或通带 ；反之,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带 ；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通 带内的电压增益为常数,在阻带内的电压增益为零；实际滤波 器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带. 濾波器概述 滤波器是能选择、通过或

2、抑制某频率范围信号的电路 或器件.早在19世纪80年代,电阻、电容滤波电路就已经出现 .具有频率选择功能的电感、电容谐振回路(图1)可作为最简 单的滤波器. 由于许多电路和系统都要区分不同频率的信号 ,滤波器遂被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和 设备中. 图1频率选择电路 下边介绍一下常用滤波器的材质及工作原理 陶瓷滤波器是由锆钛酸铅陶瓷材料制成. 石英晶体滤波器是由SiO2材料制成. 上述两种滤波器的工作原理相同,都是利用这些材料的压电 效应,产生机械形变和电场间的相互转变,使绝缘材料用到了 交变流路中. 声表面滤波器(SAW)是由铌酸锂、锆钛酸铅或石英晶体压电 材料为基础构成的一种

3、电-声换能器.它是通过真空镀法将金 属蒸发在压电基体上,然后通过光刻工艺制成的. SAW由于采用与集成电路相同的平面加工工艺,制造简单, 一致性能好,是目前应用极为广泛的集中选频滤波器. 常见石英晶体滤波器和SAW的一些典型参数如下: 石英晶体滤波器指标 声表面带通滤波器的指标 下边介绍一下滤波器的应用频率范围 型号标称频率f0/MHz 3dB带宽KHz 通带纹波dB 阻带宽度（40dB)KHz 插入损耗dB 中心频率偏差 KHz LP2107310.7202322.51 LP1214121.4150.53021 LT2510 0.02%f00.16% f0 234BW6 LT25025228

4、6 中心频率/MHz101500 相对带宽f/f050%以上 最小带宽/KHz100 矩形系数1.15 带外抑制/dB60以上 带内波动/dB0.05 插入损耗/dB最大达25dB 滤波器的应用频率范围 滤波器的应用频率范围极宽,有适用于低到零点几赫的滤波 器,也有高到微波波段的滤波器.根据滤波频率的中心频率和其 他要求的不同,滤波器中采用各种谐振元件,电感、电容是最常 用的谐振元件.对于工作于1千赫100兆赫、相对带宽较窄且温 度和时间稳定性要求高的滤波器,常用压电晶体作为谐振元件( 见晶体滤波器).还有用金属棍、盘作为谐振元件的机械滤波器, 和把晶体与机械滤波器原理合并而成声表面波滤波器（

5、图2）. 图2 不同的滤波器适应的频率范围 常用滤波器的特点介绍 SAW的工作频率最高.陶瓷滤波器最低； 晶体滤波器的相对带宽最窄,而SAW可窄可宽； 均有一定的插入损耗,特别是多级级联实现良好的矩形系 数要求是,插入损耗会更大. 使用这些滤波器时需要注意的是： 所有的这些滤波器特性,均是在输入输出匹配的条件下测得 的,因此使用时必须注意滤波器的前后的阻抗匹配. 滤波器有一定的插入损耗,它与放大器相连时若放在放大器 前面,先滤波后放大,有利于清除干扰,但不利于整机的噪声 性能.若放在放大器后面,有利于提高噪声性能,但干扰也被 放大,特别是强干扰会引起一系列的失真.一般需要具体问题 具体考虑.

6、滤波器类型 巴特沃斯滤波器（最平坦响应） 巴特沃斯滤波器.特点是通频带的频率响应曲线最大限度 平坦,没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零.巴特沃斯响应能够 最大化滤波器的通带平坦度.特别适用于低频,其对于维护增益 的平坦性非常重要.在振幅的对数对角频率的波特图上(下图), 从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋 于负无穷大. 切比雪夫滤波器(1) 切比雪夫滤波器是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹 波动的滤波器.在通带波动的为I型切比雪夫滤波器,在阻 带波动的为 II型切比雪夫滤波器.切比雪夫滤波器在过渡 带比巴特沃斯滤波器的衰减快,但频率响应的幅频特性不如 后者平坦.切比雪夫滤

7、波器和理想滤波器的频率响应曲线之 间的误差最小,但是在通频带内存在幅度波动. 那么是I型和II型哪种常用呢? I型切比雪夫滤波器最为常见. II型切比雪夫滤波器,也称倒数切比雪夫滤波器.较不常用, 主要原因: 1.频率截止速度不如I型快, 2.需要用更多的电子元件. 切比雪夫响应(2) 切比雪夫滤波器的频率响应曲线如下： 两种滤波器的使用范围： 如果需要快速衰减而允许通频带存在少许幅度波动,可用第 一类切比雪夫滤波器. 如果需要快速衰減而不允许通频带存在幅度波动,可用第二 类切比雪夫滤波器. 椭圆函数滤波器 椭圆滤波器是在通带和阻带等纹波的一种滤波器.椭圆函 数滤波器相比其他类型的滤波器,在阶

8、数相同的条件下有着最 小的通带和阻带波动.它在通带和阻带的波动相同,这一点区 别在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器,以及通带平坦、阻 带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器. 椭圆函数滤波器的频率响应曲线如下： 三种滤波器的对比（1） 三种滤波器的对比（2） 从上图可以看到： 巴特沃斯滤波器的衰减速度比其他类型的滤波器缓慢,但十 分平坦,没有幅度变化. 两种切比雪夫滤波器比巴特沃斯滤波器陡峭,但不如椭圆函 数滤波器,然后后者幅度波动较大. 椭圆滤波器比其他滤波器更陡,因此在选择滤波器的时候, 椭圆滤波器能够以比较低的阶数获得较窄的过度频宽,但是 它在通带和阻带上都有波动. 滤波器的分

9、类 按所处理的信号 按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种. 按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种: 1.低通滤波器:允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分 量或干扰和噪声. 2.高通滤波器:允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分 量. 3.带通滤波器:允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频 段的信号、干扰和噪声. 4.带阻滤波器:抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号 通过. 按所采用的元器件 按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种. 无源滤波器 无源滤波器仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器它是 利用电容和电感元件的电抗随频

10、率的变化而变化的原理构成 的.这类滤波器的优点是：电路比较简单,不需要直流电源供 电,可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗,负载效应 比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大 时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用. 有源滤波器 有源滤波器由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如 集成运算放大器）组成.这类滤波器的优点是：通带内的 信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明 显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容 易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需 要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围 受有源器件(如集成运算放大器）的带宽

11、限制,需要直流 电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大 功率的场合不适用. 滤波器设计 滤波器特性可以用其频率响应来描述,按其特性的不同, 可以分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器 等. 用来说明滤波器性能的技术指标主要有： 中心频率f0,即工作频带的中心頻率 带宽BW 通带衰减,即通带内的最大衰减 阻带衰减 最小插入衰减. 现代滤波器设计,多是采用滤波器变换的方法加以实现. 主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换,来 得到新的目标滤波器. 滤波器选取(1) 集总低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基 础,各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特

12、性 推导出来的.正因如此,才使得滤波器的设计得以简化,精度 得以提高. 理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无 损通过,而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减,从 而在幅频特性曲线上呈现矩形,故而也称为矩形滤波器.遗憾 的是,如此理想的特性是无法实现的,所有的设计只不过是力 图逼近矩形滤波器的特性而已.根据所选的逼近函数的不同, 可以得到不同的响应.虽然逼近函数函数多种多样,但是考虑 到实际电路的使用需求,我们通常会选用“巴特沃斯响应” 或“切比雪夫响应”. 滤波器选取(2) “巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性,而“ 切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性.所以具

13、体 选用何种特性.需要根据电路或系统的具体要求而定.但是,“ 切比雪夫响应”滤波器对于元件的变化最不敏感,而且兼具良 好的选择性与很好的驻波特性（位于通带的中部）,所以在一 般的应用中,推荐使用“切比雪夫响应”滤波器. 上面提到了矩形滤波器,下边简单介绍一下什么是矩 形滤波器 ? 矩形滤波器 矩形滤波器,是理想的低通滤波器的模型,它能使所有 低于截止频率的信号无损通过,同时,所有高于截止频率 的信号都应该被无限的衰减,从而在幅频特性曲线上呈现 矩形,并因此而得名“矩形滤波器”. 在现实中，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计 只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。 根据所选的逼近函数的不同，

14、可以得到不同的响应。通常 会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。 到这里大家对模拟滤波器应该是有了一定的了解.下边简单 说一下数字滤波器. 数字滤波器 数字滤波器(digital filter)是指输入输出均为数字信号,通 过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者 滤除某些频率成分的器件.它工作在数字信号域,它处理的对 象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号.数字滤 波器一般由寄存器、延时器、加法器和乘法器等基本数字电 路实现. 数字滤波器概述 数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应 特性的离散时间系统.数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模 拟滤波器不同.数

15、字滤波器工作在数字信号域,它处理的对象是 经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号. 数字滤波器的工作方式与模拟滤波器也完全不同：后者完 全依靠电阻、电容、晶体管等电子元件组成的物理网络实现滤 波功能；而前者是通过数字运算器件对输入的数字信号进行运 算和处理，从而实现设计要求的特性。 应用数字滤波器处理模拟信号时,须对输入模拟信号进行限 带、抽样和模数转换. 数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型.它可 以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性 的. 数字滤波器特性(1) 数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度,甚至能够实现后 者在理论上也无法达到的性能。 数字滤波器相比

16、模拟滤波器有更高的信噪比.这主要是因为 数字滤波器是以数字器件执行运算,从而避免了模拟电路中 噪声（如电阻热噪声）的影响。 数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。组成模 拟滤波器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的 变化而漂移，而数字电路就没有这种问题。 数字滤波器特性(2) 由于奈奎斯特采样定理，数字滤波器的处理能力受到系 统采样频率的限制。如果输入信号的频率分量包含超过滤波 器1/2采样频率的分量时，数字滤波器因为数字系统的“混 叠”而不能正常工作。如果超出1/2采样频率的频率分量不 占主要地位，通常的解决办法是在模数转换电路之前放置一 个低通滤波器（即抗混叠滤波器）将超过的高频成分滤除。 否则就必须用模拟滤波器实现要求的功能。