(整理)滤波器原理
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滤波器电路及原理图介绍
1.根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同,滤波器可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、和带阻滤波器(BEF)四种。
图4-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。
滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络,它允许某些频率(通常是某个频率范围)的信号通过,而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。
这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器,也可由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
图4-1四种滤波器的幅频特性
2.四种滤波器的传递函数和实验模拟电路如图4-2所示:(a)无源低通滤波器(b)有源低通滤波器(c)无源高通滤波器(d)有源高通滤波器(e)无源带通滤波器(f)有源带通滤波器(g)无源带阻滤波器(h)有源带阻滤波器
图4-2四种滤波器的实验电路
3.滤波器的网络函数H(jω),又称为正弦传递函数,它可用下式表示
式中A(ω)为滤波器的幅频特性,θ(ω)为滤波器的相频特性。
它们均可通过实验的方法来
测量。
滤波器的原理和应用滤波器是电子领域中常见的一种电路元件,主要用于滤除信号中的不需要的频率成分,从而得到期望的频率信号。
本文将介绍滤波器的原理、分类和应用。
一、滤波器的原理滤波器的原理是基于信号的频域特性。
信号可以表示为一系列频率不同的正弦波的叠加,而滤波器的任务就是通过选择性地传递或阻断不同频率的成分来实现信号的处理。
滤波器原理的核心是滤波器的频率响应。
滤波器的频率响应描述了在不同频率下信号通过滤波器时的增益或衰减情况。
一般来说,我们将频率响应分为低频通过增益、高频通过衰减或者其他形式。
二、滤波器的分类根据滤波器的特性,我们可以将其分为以下几种主要类型:1. 低通滤波器(Low-pass Filter):该类型滤波器能够通过低于某一截止频率的信号成分,而阻断高于该频率的信号成分。
2. 高通滤波器(High-pass Filter):与低通滤波器相反,高通滤波器会通过高于某一截止频率的信号成分,而阻断低于该频率的信号成分。
3. 带通滤波器(Band-pass Filter):带通滤波器可以通过中心频率区间内的信号成分,而阻断低于和高于该频率区间的信号成分。
4. 带阻滤波器(Band-stop Filter):带阻滤波器能够阻止中心频率区间内的信号成分通过,而通过低于和高于该频率区间的信号成分。
此外,还有一些特殊类型的滤波器,如全通滤波器、陷波滤波器等,根据具体应用需求选择适合的滤波器类型。
三、滤波器的应用滤波器在电子工程中应用广泛,下面将介绍几个常见的应用领域。
1. 语音与音频处理:在语音和音频处理中,滤波器用于去除背景噪声、增加音频的清晰度和质量。
根据所需音频频率的不同成分,可以选择不同类型的滤波器。
2. 无线通信系统:滤波器在无线通信系统中用于信号的调制和解调,以及抑制乱频和干扰信号。
例如,调制解调器中的滤波器可以选择特定频率范围内的信号。
3. 音频设备和音响系统:滤波器在音频设备和音响系统中常用于音频效果处理,如均衡器(Equalizer)和声音效果器(Sound Effects Processor)。
滤波器种类作用原理滤波器是一种电子电路,它可以根据频率的不同,选择性地通过或抑制电路中的信号。
根据作用原理和种类的不同,滤波器可以分为多种类型。
1. 低通滤波器(Low-pass filter)低通滤波器是一种能够通过较低频率信号而抑制高频信号的滤波器。
它的作用是削弱或过滤掉输入信号中高于截止频率的频率分量。
低通滤波器广泛应用于音频和通信领域,常用于去除高频噪声。
2. 高通滤波器(High-pass filter)高通滤波器是一种能够通过较高频率信号而抑制低频信号的滤波器。
它的作用是削弱或过滤掉输入信号中低于截止频率的频率分量。
高通滤波器常用于音频和通信领域,常用于削弱或滤除低频噪声。
3. 带通滤波器(Band-pass filter)带通滤波器是一种能够通过一些频率范围内的信号而抑制其他频率范围内的信号的滤波器。
它的作用是只允许通过滤波器中选择的中心频率附近的频率分量,同时抑制其他频率范围的信号。
带通滤波器常用于音频、无线通信和图像处理等领域。
4. 带阻滤波器(Band-stop filter)带阻滤波器是一种能够通过除了一些频率范围内的信号外的其他信号的滤波器。
它的作用是削弱或完全抑制一些频率范围内的信号,同时允许通过其他频率范围的信号。
带阻滤波器常用于音频、无线通信和图像处理等领域。
5. 陷波滤波器(Notch filter)陷波滤波器是一种能够抑制特定频率的信号,但对其他频率相对较不敏感的滤波器。
它的作用是在滤波器的中心频率处产生一个深度抑制的窄带,用于削弱或滤除特定的干扰信号。
陷波滤波器常用于音频、无线通信和图像处理等领域。
滤波器的原理基于信号的频率特性,利用电子器件的非线性特性或通过设计合适的电路,选择性地通过或抑制输入信号中不同频率的分量。
常见的滤波器电路包括电容、电感和电阻等元件的组合。
通过调整元件的数值、组合方式和连接方式,可以实现不同类型的滤波器。
滤波器的工作原理可以根据其类型细分为不同的方法,例如使用RC电路或LC电路来实现滤波效果。
CIC 的冲击响应{1,010,()n D h n ≤≤-=其他,D 为CIC 滤波器的阶数(即抽取因子),Z 变换后11()1Dz H z z ---=-,当积分梳状滤波器的阶数不等于抽取器的抽取倍数时,令N=DM(N 为滤波器的 阶数,D 为抽取倍数)则积分梳状滤波器的传递函数为:)1(11)(1DM z zz H ----=M 是梳状滤波器中的延时因子,故称M 为差分延时因子;其频率总响应为12()()()jw jw jwH e H e H e ==sin(/2)sin(/2)wDM w =1()()22wDM wDM Sa Sa -⋅⋅x x x Sa /)sin()(=为抽样函数,且1)0(=Sa ,所以CIC 滤波器在0=ω处的幅度值为N ,即:DM e H j =)(0; 一般数字滤波器的指标:()20lg()()20lg ()a pa p a s a s H j H j H j H j ααΩ=ΩΩ=Ω通带最大衰减阻带最小衰减即:CIC 幅频特性响应曲线图由其频率响应函数可以看出其主瓣电平最大为D ,旁瓣电平为21.51()sin(3/2)/sin(3/2)sin(3/2)j DMH e DM DM ωπωπππ=⋅==,旁瓣与主瓣的差值 (用dB 数表示)为: dB A DM s 46.1323lg 20lg201===πα 可计算出旁瓣与主瓣的差值约为13.46,意味着阻带衰减很差,单级级联时旁瓣电平很大,为降低旁瓣电平,增加阻带衰减采用级联的方式,N 级频率响应为:)2()2()()2/sin()2/sin()(ωωωωωQ Q Q Qj Q Sa DM Sa DM DM e H -⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=, 可得到N 级CIC 的旁瓣抑制 dB Q Q A DM Q Qs )46.13(23lg 20)lg(201⨯=⋅==πα 分析一下发现在Q 级联时多出了Q DM 这个处理增益,因此分析一下尽量减少带内容差(通带衰减),即,在通带内,幅度应尽量平缓;下面就它的幅平响应曲线来分析:00()20lg ()()20lg()ps j a p jw a j a s jw a H e H eH e H e αα==1、设在红线w1处抽取的信号带宽很窄,为无混叠信号的带宽,能很好的对窄带信号进行滤波,去除掉高频信号噪声;且在绿线w2=2pi/DM-w1处衰减值足够大,则在其信号带宽内,红线到绿线,信号给CIC 滤波器带来的混叠就可以忽略,计算此时阻带衰减:)2/sin()2/sin(lg 20()(lg 2022012w DM w DM e H e H A jw j ==·引入带宽比例因子b=B/(fs/DM ), B 为抽取信号的带宽,D 为抽取因子,M 为延时因子;fs 为输入端采样率,则w1=b*2pi/DM ;带入可化简得:b A lg 201-≈; (假设b=0.01;即fs=100MHz ,D=20,信号带宽为50khz,此时衰减为40dB);可见单级的CIC 滤波器的无混叠信号带宽内的阻带衰减能达到40dB;;并不怎么大,适用于较粗略的滤波,适合放在第一级抽取;如果采用级联的方式可以加大无混叠信号带宽;但是满足的通带不够窄;2、在红线w1处幅度不能下降太多,通带内幅值容差不能太大,否则会引起高频失真;设该带内容差为s δ,则,)()(lg 2010jw j s e H e H =δ将w1带入可简化得)sin(lg 20b bs ππδ≈,当N 级时,其带内容差也会增大;由上面分析可知,阻带衰减和带内容差,只与带宽比例因子b 有关,Df Bb s /=,分析可知,在信号带宽一定的前提下,应尽可能采用小的抽取因子,或增大输入采样率;故一般把它放在抽取系统的第一级,所以在配置CIC 时,信号带宽,采样率,抽取因子,综合考虑,下面是阻带衰减和通带衰减的一个表:表1:大抽取因子下的通带衰减由CIC频幅响应图可以发现,幅频特性的零点位于1/M处(M取值为整数),这说明差分因子M决定了零点的位置;抽取因子D狭定了抽取后信号的采样频率,它同差分延时因子M一起还决定了主瓣和旁瓣的宽度;级数Q可以用来控制阻带衰减,Q越大阻带衰减越大,通带内的混叠就越小,但Q越大,通带内主瓣衰减也越大,所以Q不可太大,不宜超过5级。
电路设计中的滤波器电路设计滤波器电路设计的原理和应用电路设计中的滤波器电路设计在电路设计中,滤波器是一种常见的电子元件,用于调节电路的频率响应。
通过滤波器电路设计,我们可以实现信号的滤波和频率分析,从而满足各种应用需求。
本文将介绍滤波器电路设计的原理和应用。
一、滤波器电路设计的原理滤波器的基本原理是根据频率选择性(或频带选择性),将输入信号中的特定频率范围的信号通过,而将其他频率范围的信号抑制或削弱。
在电路设计中,常用的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
它们分别可以滤除高于或低于一定频率的信号或者只保留某一频带的信号。
1. 低通滤波器(Low Pass Filter,LPF):允许低于截止频率的频率信号通过,并抑制高于截止频率的频率信号。
2. 高通滤波器(High Pass Filter,HPF):允许高于截止频率的频率信号通过,并抑制低于截止频率的频率信号。
3. 带通滤波器(Band Pass Filter,BPF):允许某个频率范围内的频率信号通过,而削弱其他频率信号。
4. 带阻滤波器(Band Stop Filter,BSF):阻止某个频率范围内的频率信号通过,而放行其他频率信号。
二、滤波器电路设计的应用滤波器电路设计广泛应用于各个领域,以下介绍几种常见的应用场景。
1. 信号处理在通信系统中,滤波器电路用于对信号进行处理和调节。
例如,在音频系统中,使用低通滤波器来滤除高频噪音;在无线通信系统中,使用带通滤波器来选择特定频段的信号。
2. 音响设备在音响设备中,滤波器电路用于调节音频信号的频率响应。
通过设计合适的滤波器,可以提高音频的音质和听感。
例如,使用高通滤波器来增强低音效果,使用低通滤波器来抑制噪音。
3. 电源滤波在电源电路中,滤波器电路用于去除电源中的杂波和纹波,保证电路的稳定工作。
常见的电源滤波器包括电容滤波器和电感滤波器。
4. 数据采集在数据采集系统中,滤波器电路用于降低采集信号中的噪声和干扰,提高数据的准确性和可靠性。
滤波器的工作原理及其应用1. 引言滤波器是电子设备中常见的一个组件,用于对信号进行处理和滤波。
它的工作原理基于信号的频率特性,在电子电路设计中起着重要的作用。
本文将介绍滤波器的工作原理以及其在不同应用领域中的应用。
2. 滤波器的工作原理滤波器的工作原理是基于频率响应的选择性,它通过让特定频率范围内的信号通过,而抑制其他频率范围内的信号。
2.1 滤波器的分类滤波器根据其频率特性和工作方式的不同可以分为多种类型,常见的滤波器包括:•低通滤波器(Low-pass Filter):允许低频信号通过,抑制高频信号。
•高通滤波器(High-pass Filter):允许高频信号通过,抑制低频信号。
•带通滤波器(Band-pass Filter):允许特定频率范围内的信号通过,同时抑制其他频率范围内的信号。
•带阻滤波器(Band-stop Filter):抑制特定频率范围内的信号,同时允许其他频率范围内的信号通过。
2.2 滤波器的频率响应滤波器的频率响应是指滤波器对不同频率信号的响应程度。
它通常以幅频特性和相频特性表示。
•幅频特性(Amplitude-frequency Response):描述滤波器输出信号的幅度与输入信号频率之间的关系。
•相频特性(Phase-frequency Response):描述滤波器输出信号的相位与输入信号频率之间的关系。
2.3 滤波器的工作原理滤波器的工作原理基于频率选择性,它通过电容、电感、电阻等组件的组合来实现对信号频率的选择性。
•低通滤波器:通过将高频信号分流到地来抑制高频信号的传递,从而只允许低频信号通过。
•高通滤波器:通过将低频信号分流到地来抑制低频信号的传递,从而只允许高频信号通过。
•带通滤波器:通过将不在带通范围内的频率信号分流到地来抑制不需要的信号,只允许带通范围内的信号通过。
•带阻滤波器:通过将在带阻范围内的频率信号分流到地来抑制不需要的信号,只允许不在带阻范围内的信号通过。
音响整理滤波原理
音响整理滤波的原理主要基于电容器和电感器的工作原理。
电容器对高频噪声进行滤波,而电感器对低频噪声进行滤波。
当电源中的杂波和干扰进入音响设备时,滤波器会把这些干扰信号过滤掉,从而提供更纯净和稳定的电源供应。
在音响设备中,电源干扰可能导致背景噪音、杂音增加,降低音频的清晰度和动态范围。
通过使用音响电源滤波器,可以有效地减少电源干扰,提供更干净和稳定的电源给音响设备,从而改善音质和性能。
然而,音响电源滤波器是否真的有效,存在一些争议和不确定性。
一方面,一些人认为音响电源滤波器对于普通家庭音响系统的影响不明显,因为家庭环境中的电源干扰相对较小。
另一方面,一些专业音响发烧友则认为音响电源滤波器的作用非常明显,可以提升音响的表现和细节还原能力。
此外,音响电源滤波器的效果还受到使用环境和音响设备本身的影响。
在一些电源质量较差或电磁干扰较严重的环境中,音响电源滤波器可能会发挥更明显的作用。
而在一些电源质量较好或电磁环境较干净的环境中,音响电源滤波器的作用可能相对有限。
总的来说,音响电源滤波器在改善音质和性能方面确实具有潜在的作用,但其具体有效性取决于使用环境和音响设备本身的情况。
如果您对音响质量和细节还原有较高的要求,可以考虑使用音响电源滤波器。
有源滤波器工作原理有源滤波器是一种电子滤波器,它使用有源元件(如放大器)来增强滤波器的性能。
有源滤波器可以实现各种滤波功能,如低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。
在本文中,我们将详细介绍有源滤波器的工作原理以及其在电子系统中的应用。
一、有源滤波器的基本原理有源滤波器的基本原理是利用有源元件(如放大器)的放大功能来增强滤波器的性能。
有源滤波器通常由一个或多个有源元件(如晶体管、运算放大器等)和被动元件(如电容、电感和电阻)组成。
有源滤波器的工作原理可以分为两个基本步骤:放大和滤波。
首先,输入信号经过有源元件的放大作用,增加信号的幅度。
然后,经过滤波器的滤波作用,将不需要的频率成分滤除,只保留所需的频率范围。
二、有源滤波器的分类有源滤波器可以根据其频率响应特性和滤波器类型进行分类。
根据频率响应特性,有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
根据滤波器类型,有源滤波器可分为主动滤波器和交叉耦合滤波器。
1. 低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)低通滤波器允许低于截止频率的频率通过,并阻止高于截止频率的频率通过。
它常用于去除高频噪声,保留低频信号。
低通滤波器的截止频率可以根据具体应用的要求进行调整。
2. 高通滤波器(High Pass Filter,HPF)高通滤波器允许高于截止频率的频率通过,并阻止低于截止频率的频率通过。
它常用于去除低频噪声,保留高频信号。
高通滤波器的截止频率可以根据具体应用的要求进行调整。
3. 带通滤波器(Band Pass Filter,BPF)带通滤波器允许特定频率范围内的频率通过,并阻止其他频率通过。
它常用于选择特定频率范围内的信号。
带通滤波器通常由一个低通滤波器和一个高通滤波器级联而成。
4. 带阻滤波器(Band Stop Filter,BSF)带阻滤波器阻止特定频率范围内的频率通过,并允许其他频率通过。
它常用于去除特定频率范围内的干扰信号。
从电气工程上,所有的元件可以归纳为三类最基本的元件,即电阻,电感和电容.电阻的阻值与交流电的频率无关.电感的阻值(称为感抗)Xl=2πfL,即与交流电的频率成正比.频率越高,感抗越大.电容元件则与电感元件相反,它的容抗Xc=1/2πfC,即与交流电频率反比.因此,电气工程上,常利用LC元件对不同频率交流电量的电抗不同,对交流电量进行分流,称为滤波.按不同功能,滤波器通常分三类:低通,高通,带通.它们在电气电路及电子电路中都有着广泛的应用.最简单和最典型的一个例子就是我们常用的直流稳压电源中,整流电路后面接入的电容,就是为了减小交流脉动而设置的.它是一个低通滤波器.上面学习的整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分,只在一些特殊的场合使用,一般的直流电路都需要较理想的一条直线似的的直流电压,这就要平滑脉动的电压使其达到,这种措施就是滤波.滤波器一般由电感或电容以及电阻等元件组成.电容滤波,简单的说,滤波是利用电容对特定频率的等效容抗小,近似短路来实现的(与谐振无关)。
容抗Xc=1/(ωC)=1/(2πfC),滤高频用0.1uF陶瓷电容---它对1MHz信号的等效容抗只有1.6欧姆,而对50Hz的工频信号等效容抗有近似32千欧,所以只能滤高频;而要滤工频,2000uF电容的等效容抗才能与0.1uF对1MHz信号的等效容抗相当。
利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲的电压的目的.在正半周D导通时分两个电流:一是电流IL向负载供电,二是IC向电容充电;如忽略D的压降则在电容上的电压等于U2,当U2达到最大的峰值后开始下降, 此时电容C上的电压UC也将由于放电而逐渐下降,当U2<UC时,二极管被反偏而截止,于是UC向负载供电且电压继续下降,直到下一个正半周 U2>UC时二极管再导通,再次循环下去.但半波整流滤波的输出的电压还是带有锯齿装的成分现在多用桥式整流滤波电路;原理同上.根据上面的分析可知,采用电容滤波后,有如下特点:1、负载电压中的脉动的成分降低了许多;2、负载电压的平均值有所提高。
滤波器原理滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成份通过,而极大地衰减其它频率成份。
在测试装置中,利用滤波器的这种选频作用,可以滤除干扰噪声或者进行频谱分析。
广义地讲,任何一种信息传输的通道(媒质)都可视为是一种滤波器。
因为,任何装置的响应特性都是激励频率的函数,都可用频域函数描述其传输特性。
因此,构成测试系统的任何一个环节,诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等,都将在一定频率范围内,按其频域特性,对所通过的信号进行变换与处理。
本文所述内容属于摹拟滤波范围。
主要介绍摹拟滤波器原理、种类、数学模型、主要参数、RC滤波器设计。
尽管数字滤波技术已得到广泛应用,但摹拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。
带通滤波器二、滤波器分类⒈根据滤波器的选频作用分类⑴低通滤波器从0~f2频率之间,幅频特性平直,它可以使信号中低于f2的频率成份几乎不受衰减地通过,而高于f2的频率成份受到极大地衰减。
⑵高通滤波器与低通滤波相反,从频率f1~∞,其幅频特性平直。
它使信号中高于f1的频率成份几乎不受衰减地通过,而低于f1的频率成份将受到极大地衰减。
⑶带通滤波器它的通频带在f1~f2之间。
它使信号中高于f1而低于f2的频率成份可以不受衰减地通过,而其它成份受到衰减。
⑷带阻滤波器与带通滤波相反,阻带在频率f1~f2之间。
它使信号中高于f1而低于f2的频率成份受到衰减,其余频率成份的信号几乎不受衰减地通过。
低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式,其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器,例如:低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。
低通滤波器与高通滤波器的串联低通滤波器与高通滤波器的并联⒉ 根据“最佳逼近特性”标准分类⑴ 巴特沃斯滤波器从幅频特性提出要求,而不考虑相频特性。
巴特沃斯滤波器具有最大平整幅度特性,其幅频响应表达式为:⑵ 切比雪夫滤波器切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的,其幅频响应表达式为:ε是决定通带波纹大小的系数,波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件;T是第一类切贝雪夫多项式。
滤波器原理滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其它频率成分。
在测试装置中,利用滤波器的这种选频作用,可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。
广义地讲,任何一种信息传输的通道(媒质)都可视为是一种滤波器。
因为,任何装置的响应特性都是激励频率的函数,都可用频域函数描述其传输特性。
因此,构成测试系统的任何一个环节,诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等,都将在一定频率范围内,按其频域特性,对所通过的信号进行变换与处理。
本文所述内容属于模拟滤波范围。
主要介绍模拟滤波器原理、种类、数学模型、主要参数、RC滤波器设计。
尽管数字滤波技术已得到广泛应用,但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。
带通滤波器二、滤波器分类⒈根据滤波器的选频作用分类⑴低通滤波器从0~f2频率之间,幅频特性平直,它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过,而高于f2的频率成分受到极大地衰减。
⑵高通滤波器与低通滤波相反,从频率f1~∞,其幅频特性平直。
它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过,而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。
⑶带通滤波器它的通频带在f1~f2之间。
它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过,而其它成分受到衰减。
⑷带阻滤波器与带通滤波相反,阻带在频率f1~f2之间。
它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减,其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。
低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式,其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器,例如:低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。
低通滤波器与高通滤波器的串联低通滤波器与高通滤波器的并联⒉根据“最佳逼近特性”标准分类⑴巴特沃斯滤波器从幅频特性提出要求,而不考虑相频特性。
巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性,其幅频响应表达式为:⑵切比雪夫滤波器切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的,其幅频响应表达式为:ε是决定通带波纹大小的系数,波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件;T n是第一类切贝雪夫多项式。
与巴特沃斯逼近特性相比较,这种特性虽然在通带内有起伏,但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭,更接近理想情况。
ε值越小,通带起伏越小,截止频率点衰减的分贝值也越小,但进入阻带后衰减特性变化缓慢。
切贝雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器进行比较,切贝雪夫滤波器的通带有波纹,过渡带轻陡直,因此,在不允许通带内有纹波的情况下,巴特沃斯型更可取;从相频响应来看,巴特沃斯型要优于切贝雪夫型,通过上面二图比较可以看出,前者的相频响应更接近于直线。
⑶贝塞尔滤波器只满足相频特性而不关心幅频特性。
贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器。
其相移和频率成正比,即为一线性关系。
但是由于它的幅频特性欠佳,而往往限制了它的应用。
二、理想滤波器理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真,阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器,其通带和阻带之间有明显的分界线。
也就是说,理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数,相频特性的斜率为常值;在通带外的幅频特性应为零。
理想低通滤波器的频率响应函数为:其幅频及相频特性曲线为:分析上式所表示的频率特性可知,该滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数,图形如下图所示。
脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸,从图中可以看出,在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前,即在t<0时,滤波器就已经有响应了。
显然,这是一种非因果关系,在物理上是不能实现的。
这说明在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性,或者说在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的。
实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止,而会逐渐衰减并延伸到∞。
三、实际滤波器⒈实际滤波器的基本参数理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图中,通带和阻带之间应没有严格的界限。
在通带和阻带之间存在一个过渡带。
在过渡带内的频率成分不会被完全抑制,只会受到不同程度的衰减。
当然,希望过渡带越窄越好,也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。
因此,在设计实际滤波器时,总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。
如图所示为理想带通(虚线)和实际带通(实线)滤波器的幅频特性。
由图中可见,理想滤波器的特性只需用截止频率描述,而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点,两截止频率之间的幅频特性也非常数,故需用更多参数来描述。
⑴纹波幅度d在一定频率范围内,实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化,其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比,越小越好,一般应远小于-3dB。
⑵截止频率f c幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。
以A0为参考值,0.707A0对应于-3dB点,即相对于A0衰减3dB。
若以信号的幅值平方表示信号功率,则所对应的点正好是半功率点。
⑶带宽B和品质因数Q值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽,或-3dB带宽,单位为Hz。
带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。
在电工学中,通常用Q代表谐振回路的品质因数。
在二阶振荡环节中,Q值相当于谐振点的幅值增益系数,Q=1/2ξ(ξ——阻尼率)。
对于带通滤波器,通常把中心频率f0()和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。
例如一个中心频率为500Hz的滤波器,若其中-3dB带宽为10Hz,则称其Q值为50。
Q值越大,表明滤波器频率分辨力越高。
⑷倍频程选择性W在两截止频率外侧,实际滤波器有一个过渡带,这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢,它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。
通常用倍频程选择性来表征。
所谓倍频程选择性,是指在上截止频率f c2与2f c2之间,或者在下截止频率f c1与f c1/2之间幅频特性的衰减值,即频率变化一个倍频程时的衰减量或倍频程衰减量以dB/oct表示(octave,倍频程)。
显然,衰减越快(即W值越大),滤波器的选择性越好。
对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。
即[dB/10oct]。
⑸滤波器因数(或矩形系数)滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式,它是利用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性,记作,即理想滤波器=1,常用滤波器=1-5,显然,越接近于1,滤波器选择性越好。
四、RC无源滤波器在测试系统中,常用RC滤波器。
因为在这一领域中,信号频率相对来说不高。
而RC 滤波器电路简单,抗干扰性强,有较好的低频性能,并且选用标准的阻容元件,所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。
⒈一阶RC低通滤波器RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示设滤波器的输入电压为e x,输出电压为e y,电路的微分方程为这是一个典型的一阶系统。
令=RC,称为时间常数,对上式取拉氏变换,有或其幅频、相频特性公式为:分析可知,当f很小时,A(f)=1,信号不受衰减地通过;当f很大时,A(f)=0,信号完全被阻挡,不能通过。
低通滤波器的上载止频率⒉一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示设滤波器的输入电压为e x输出电压为e y,电路的微分方程为:同理,令=RC,对上式取拉氏变换,有:或其幅频、相频特性公式为:分析可知,当f很小时,A(f)=0,信号完全被阻挡,不能通过;当f很大时,A(f)=1,信号不受衰减的通过。
⒊RC带通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联,其电路及其幅频、相频特性如下图所示。
其幅频、相频特性公式为:式中H1(s)为高通滤波器的传递函数,H2(s)为低通滤波器的传递函数。
有:这时极低和极高的频率成分都完全被阻挡,不能通过;只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。
下截止频率:上截止频率:应注意,当高、低通两级串联时,应消除两级耦合时的相互影响,因为后一级成为前一级的“负载”,而前一级又是后一级的信号源内阻。
实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。
所以实际的带通滤波器常常是有源的。
有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。
运算放大器既可起级间隔离作用,又可起信号幅值的放大作用。
五、模拟滤波器的应用模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。
例如带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置;低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波;高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声;带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器等。
用于频谱分析装置中的带通滤波器,可根据中心频率与带宽之间的数值关系,分为两种一种是带宽B不随中心频率而变化,称为恒带宽带通滤波器,如图所示,其中心频率处在任何频段上时,带宽都相同;另一种是带宽B与中心频率的比值是不变的,称为恒带宽比带通滤波器,如图所示,其中心频率越高,带宽也越宽。
一般情况下,为使滤波器在任意频段都有良好的频率分辨力,可采用恒带宽带通滤波器(如收音机的选频)。
所选带宽越窄,则频率分辨力越高,但这时为覆盖所要检测的整个频率范围,所需要的滤波器数量就很大。
因此,在很多时候,恒带宽带通滤波器不一定做成固定中心频率的,而是利用一个参考信号,使滤波器中心频率跟随参考信号的频率而变化。
在做信号频谱分析的过程中,参考信号是由可作频率扫描的信号发生器供给的。
这种可变中心频率的恒带宽带通滤波器被用于相关滤波和扫描跟踪滤波中。
恒带宽比带通滤波器被用于倍频程频谱分析仪中,这是一种具有不同中心频率的滤波器组,为使各个带通滤波器组合起来后能覆盖整个要分析的信号频率范围,其中心频率与带宽是按一定规律配置的。
假若任一个带通滤波器的下截止频率为f c1,上截止频率为f c2,令f c1与f c2之间的关系为:f c1=2n f c1式中n值称为倍频程数,若n=1,称为倍频程滤波器;n=1/3,则称为1/3倍频程滤波器。
滤波器的中心频率f0取为几何平均值,即:根据上述两式,可以得:则滤波器带宽:如果用滤波器的品质因数Q值来表示,则有:故倍频程滤波器,若n=l,则Q=1.41;若n=1/3,则Q=4.38;若n=1/5,则Q=7.2。
倍频数n值越小,则Q值越大,表明滤波器分辨力越高。
根据上述关系,就可确定出常用倍频程滤波器的中心频率f0和带宽B值。
为了使被分析信号的频率成分不致丢失,带通滤波器组的中心频率是倍频程关系,同时带宽又需是邻接式的,通常的做法是使前一个滤波器的一3dB上截止频率与后一个滤波器的一3dB下截止频率相一致,如图所示。
这样的一组滤波器将覆盖整个频率范围,称之为“邻接式”的。
下图表示了邻接式倍频程滤波器,方框内数字表示各个带通滤波器的中心频率,被分析信号输入后,输入、输出波段开关顺序接通各滤波器,如果信号中有某带通滤波器通频带内的频率成分,那么就可以在显示、记录仪器上观测到这一频率成分。