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淺談濾波器原理以及其他基礎知識

2019-12-10
來源:21ic中國電子網

濾波器是一種選頻裝置,可以使信號中特定的頻率成分通過,而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用,可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。換句話說,凡是可以使信號中特定的頻率成分通過,而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統都稱之為濾波器。

濾波的概念

濾波是信號處理中的一個重要概念,濾波電路的作用是盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分,保留其直流成分,使輸出電壓紋波系數降低,波形變得比較平滑。

一般來說,濾波分為經典濾波和現代濾波。

經典濾波是根據傅里葉分析和變換提出的一個工程概念,根據高等數學理論,任何一個滿足一定條件的信號,都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。

換句話說,就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的,組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過,而阻止另一部分頻率成分通過的電路,叫做經典濾波器或濾波電路。

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在經典濾波和現代濾波中,濾波器模型其實是一樣的(硬件方面的濾波器其實進展并不大),但現代濾波還加入了數字濾波的很多概念。

濾波電路的原理

當流過電感的電流變化時,電感線圈中產生的感應電動勢將阻止電流的變化。當通過電感線圈的電流增大時,電感線圈產生的自感電動勢與電流方向相反,阻止電流的增加,同時將一部分電能轉化成磁場能存儲于電感之中;當通過電感線圈的電流減小時,自感電動勢與電流方向相同,阻止電流的減小,同時釋放出存儲的能量,以補償電流的減小。

因此經電感濾波后,不但負載電流及電壓的脈動減小,波形變得平滑,而且整流二極管的導通角增大。

在電感線圈不變的情況下,負載電阻愈小,輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>ωL時才能獲得較好的濾波效果。L愈大,濾波效果愈好。

濾波器的作用

1、將有用的信號與噪聲分離,提高信號的抗干擾性及信噪比;

2、濾掉不感興趣的頻率成分,提高分析精度;

3、從復雜頻率成分中分離出單一的頻率分量。

電路分類

1.按所采用的元器件分為無源和有源濾波器

常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。若濾波電路元件僅由無源元件(電阻、電容、電感)組成,則稱為無源濾波電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。若濾波電路不僅由無源元件,還由有源元件(雙極型管、單極型管、集成運放)組成,則稱為有源濾波電路。有源濾波的主要形式是有源RC濾波,也被稱作電子濾波器。

無源濾波電路

無源濾波電路的結構簡單,易于設計,但它的通帶放大倍數及其截止頻率都隨負載而變化,因而不適用于信號處理要求高的場合。無源濾波電路通常用在功率電路中,比如直流電源整流后的濾波,或者大電流負載時采用LC(電感、電容)電路濾波。

有源濾波電路

有源濾波電路的負載不影響濾波特性,因此常用于信號處理要求高的場合。有源濾波電路一般由RC網絡和集成運放組成,因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用,同時還可以進行放大。但電路的組成和設計也較復雜。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的場合,只適用于信號處理。

2.根據濾波器的選頻作用分類

(1)低通濾波器

從0~f2頻率之間,幅頻特性平直,它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過,而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。

(2)高通濾波器

與低通濾波相反,從頻率f1~∞,其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過,而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。

(3)帶通濾波器

它的通頻帶在f1~f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過,而其它成分受到衰減。

(4)帶阻濾波器

與帶通濾波相反,阻帶在頻率f1~f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減,其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。

3.按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器

數字濾波器與模擬濾波器的主要區別:

1、數字濾波器用于離散系統,模擬濾波器用于連續時間系統,也可以用在離散時間系統中,比如SC(開關電容)濾波器。

2、數字濾波器由數字乘法器、加法器和延時單元組成的一種算法或裝置。數字濾波器的功能是對輸入離散信號的數字代碼進行運算處理,以達到改變信號頻譜的目的。

數字濾波器可用計算機軟件實現,也可用大規模集成數字硬件實現。模擬濾波器有有源和無源的,有源濾波器主要是有運放,或者跨到運放,及電阻,電容構成。無源的濾波器主要是R,L,C構成。模擬濾波器會有電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題,而數字濾波器不存在這些問題,因而可以達到很高的穩定度和精度。

3、從實現手段上看,模擬濾波器一般用電容,電感這些模擬器件搭建的,數字濾波器可以通過軟件或者數字芯片來實現。模擬濾波器參數改變時要更換電容、電感,很麻煩。數字濾波器參數改變時有時只需要修改一下系數就可以做到了(如軟件實現時)。

4、從技術指標上看,舉個例子模擬濾波器要達到-60dB就非常困難了,而數字濾波器可以比較容易地達到這個指標。

5、模擬濾波器和數字濾波器最大的區別是數字濾波器關于Fs/2頻率是翻轉的,也就是對稱的;而模擬濾波器不是。所以在DAC之中會選擇大量插值濾波,把鏡頻頻率放到很遠的頻點上,之后在射頻段用聲表這樣的模擬濾波器濾掉鏡頻。所以數字模擬濾波器缺一不可。

6、模擬濾波器與數字濾波器的表達方式不同:模擬濾波器用H(S)表示,而數字濾波器用H(Z)表示。模擬濾波器是以幅頻特性的逼近為主,而數字濾波器則可以實現相位的匹配。


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