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什么是濾波器及其類型分類

發布時間:2013-04-06 12:51:29    瀏覽次數:7690

濾波器概述
對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路,就是濾波器。其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率,濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。
主要作用是:讓有用信號盡可能無衰減的通過,對無用信號盡可能大的衰減。

濾波器一般有兩個端口,一個輸入信號、一個輸出信號。

利用這個特性可以將通過濾波器的一個方波群或復合噪波,而得到一個特定頻率的正弦波。

濾波器是由電感器和電容器構成的網路,可使混合的交直流電流分開。電源整流器中,即借助此網路濾凈脈動直流中的漣波,而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器,是由一個電容器和一個電感器構成,稱為L型濾波。所有各型的濾波器,都是集合L型單節濾波器而成?;鏡ソ謔鉸瞬ㄆ饔梢桓齟奐耙桓霾⒘鬯槌?,串聯臂為電感器,并聯臂為電容器,如圖3-67所示。在電源及聲頻電路中之濾波器,最通用者為L型及π型兩種。就L型單節濾波器而言,其電感抗XL與電容抗XC,對任一頻率為一常數,其關系為

XL·XC=K2

故L型濾波器又稱為K常數濾波器。倘若一濾波器的構成部分,較K常數型具有較尖銳的截止頻率(即對頻率范圍選擇性強),而同時對此截止頻率以外的其他頻率只有較小的衰減率者,稱為m常數濾波器。所謂截止頻率,亦即與濾波器有尖銳諧振的頻率。通帶與帶阻濾波器都是m常數濾波器,m為截止頻率與被衰減的其他頻率之衰減比的函數。每一m常數濾波器的阻抗與K常數濾波器之間的關系,均由m常數決定,此常數介于0~1之間。當m接近零值時,截止頻率的尖銳度增高,但對于截止頻的倍頻之衰減率將隨著而減小。最合于實用的m值為0.6。至于那一頻率需被截止,可調節共振臂以決定之。m常數濾波器對截止頻率的衰減度,決定于共振臂的有效Q值之大小。若達K常數及m常數濾波器組成級聯電路,可獲得尖銳的濾波作用及良好的頻率衰減。

濾波器類型
巴特沃斯響應(最平坦響應)
巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應非常平坦,非常接近DC信號,然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB,最終逼近-20ndB/decade的衰減率,其中n為濾波器的階數。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應用,其對于維護增益的平坦性來說非常重要。

貝塞爾響應
除了會改變依賴于頻率的輸入信號的幅度外,濾波器還會為其引入了一個延遲。延遲使得基于頻率的相移產生非正弦信號失真。就像

巴特沃斯響應利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣,貝塞爾響應最小化了通帶的相位非線性。

切貝雪夫響應
在一些應用當中,最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波,就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。附錄A包含了設計多達8階的具巴特沃斯、貝塞爾和切貝雪夫響應濾波器所需參數的表格。其中兩個表格用于切貝雪夫響應∶一個用于0.1dB最大通帶紋波;另一個用于1dB最大通帶紋波。

濾波器的階數
濾波器的階數是指在濾波器的傳遞函數中有幾個極點.階數同時也決定了轉折區的下降速度,一般每增加一階(一個極點),就會增加一20dBDec(一20dB每十倍頻程)。

濾波器設計
濾波器特性可以用其頻率響應來描述,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。

用來說明濾波器性能的技術指標主要有:

中心頻率f0,即工作頻帶的中心
帶寬BW
通帶衰減,即通帶內的最大衰減
阻帶衰減

對于實際濾波器而言,考慮到實際的組成元件的品質因數的取值是一有限值(因為受限于材料與工藝的水平),所以所有工程上的實用濾波器都是有損濾波器,因此對于這些濾波器還應考慮通帶內的最小插入衰減。

現代濾波器設計,多是采用濾波器變換的方法加以實現。主要是通過對低通原型濾波器進行頻率變換與阻抗變換,來得到新的目標濾波器。

濾波器選取
集總低通原型濾波器是現代網絡綜合法設計濾波器的基礎,各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據此特性推導出來的。正因如此,才使得濾波器的設計得以簡化,精度得以提高。

理想的低通濾波器應該能使所有低于截止頻率的信號無損通過,而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現矩形,故而也稱為矩形濾波器(brick-wallfilter)。遺憾的是,如此理想的特性是無法實現的,所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據所選的逼近函數的不同,可以得到不同的響應。雖然逼近函數函數多種多樣,但是考慮到實際電路的使用需求,我們通?;嵫∮謾鞍吞匚炙瓜煊Α被頡扒斜妊┓螄煊Α?。

“巴特沃斯響應”帶通濾波器具有平坦的響應特性,而“切比雪夫響應”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,需要根據電路或系統的具體要求而定。但是,“切比雪夫響應”濾波器對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),所以在一般的應用中,推薦使用“切比雪夫響應”濾波器。


濾波器的分類
1、按所處理的信號

按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

2、按所通過信號的頻段

按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。
低通濾波器:它允許信號中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量或干擾和噪聲。
高通濾波器:它允許信號中的高頻分量通過,抑制低頻或直流分量。
帶通濾波器:它允許一定頻段的信號通過,抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。
帶阻濾波器:它抑制一定頻段內的信號,允許該頻段以外的信號通過。

3、按所采用的元器件

按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

3.1、無源濾波器: 僅由無源元件(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成的。這類濾波器的優點是:電路比較簡單,不需要直流電源供電,可靠性高;缺點是:通帶內的信號有能量損耗,負載效應比較明顯,使用電感元件時容易引起電磁感應,當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用。

3.2、有源濾波器:由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器)組成。這類濾波器的優點是:通帶內的信號不僅沒有能量損耗,而且還可以放大,負載效應不明顯,多級相聯時相互影響很小,利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器,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);缺點是:通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器)的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場合不適用。

4、根據濾波器的安放位置

根據濾波器的安放位置不同,一般分為板上濾波器和面板濾波器。

4.1、板上濾波器安裝在線路板上,如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優點是經濟,缺點是高頻濾波效果欠佳。其主要原因是:

4.1.1、濾波器的輸入與輸出之間沒有隔離,容易發生耦合;

4.1.2、濾波器的接地阻抗不是很低,削弱了高頻旁路效果;

4.1.3、濾波器與機箱之間的一段連線會產生兩種不良作用: 一個是機箱內部空間的電磁干擾會直接感應到這段線上,沿著電纜傳出機箱,借助電纜輻射,使濾波器失效;另一個是外界干擾在被板上濾波器濾波之前,借助這段線產生輻射,或直接與線路板上的電路發生耦合,造成敏感度問題;

4.2、濾波陣列板、濾波連接器等面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上。由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的

輸入與輸出之間完全隔離,接地良好,電纜上的干擾在機箱端口上被濾除,因此濾波效果相當理想。缺點是必須在設計初期考慮安裝所需的配合結構。

數字濾波器
與模擬濾波器相對應,在離散系統中廣泛應用數字濾波器。它的作用是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理?;蛘咚?,把輸入信號變成一定的輸出信號,從而達到改變信號頻譜的目的。數字濾波器一般可以用兩種方法來實現:一種方法是用數字硬件裝配成一臺專門的設備,這種設備稱為數字信號處理機;另一種方法就是直接利用通用計算機,將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成,即利用計算機軟件來實現。

模擬濾波器
模擬濾波器在測試系統或專用儀器儀表中是一種常用的變換裝置。例如:帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置;低通濾波器用作數字信號分析系統中的抗頻混濾波;高通濾波器被用于聲發射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲;帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器,等等。

用于頻譜分析裝置中的帶通濾波器,可根據中心頻率與帶寬之問的數值關系,分為兩種:

一種是帶寬B不隨中心頻率人而變化,稱為恒帶寬帶通濾波器,其中心頻率處在任何頻段上時,帶寬都相同;

另一種是帶寬B與中心頻率人的比值是不變的,稱為恒帶寬比帶通濾波器,其中心頻率越高,帶寬也越寬。

聲表面波濾波器

聲表面波是指聲波在彈性體表面的傳播,這個波被稱為彈性聲表面波。聲表面波的傳播速度比電磁波的速度約小10萬倍。聲表面波濾波器是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料,利用其壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件,廣泛應用于電視機及錄像機中頻電路中,以取代LC中頻濾波器,使圖像、聲音的質量大大提高。
SAW 聲表濾波器、聲表諧振器,是在壓電基片材料表面產生并傳播、且其振幅隨深入基片本材料的深度增加而迅速減少的的彈性波。聲表面波(SAW)是傳播于壓電晶體表面的機械波,其聲速僅為電磁波速的十萬分之一,傳播衰耗很小。

SAW 聲表器件是在壓電基片上采用微電子工藝技術制作叉指形電聲換能器和反射器耦合器等,利用基片材料的壓電效應,通過輸入叉指換能器(IDT)將電信號轉換成聲信號,并局限在基片表面傳播,輸出IDT將聲信號恢復成電信號,實現電-聲-電的變換過程,完成電信號處理過程,獲得各種用途的電子器件。采用了先進微電子加工技術制造的聲表面波器件,具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、多功能以及設計靈活等優點。

介質濾波器

介質濾波器利用介質陶瓷材料的低損耗、高介電常數、頻率溫度系數和熱膨脹系數小、可承受高功率等特點設計制作的,由數個長型諧振器縱向多級串聯或并聯的梯形線路構成。其特點是插入損耗小、耐功率性好、帶寬窄,特別適合CT1,CT2,900MHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz,便攜電話、汽車電話、無線耳機、無線麥克風、無線電臺、無繩電話以及一體化收發雙工器等的級向耦合濾波。


濾波器安裝注意事項
板上濾波器雖然對高頻的濾波效果不理想,但是如果應用得當,可以滿足大部分民用產品電磁兼容的要求。在使用時要注意以下事項:

1、“干凈地”

如果決定使用板上濾波器,在布線時就要注意在電纜端口處留出一塊“干凈地”,濾波器和連接器都安裝在“干凈地”上。通過前面的討論,可知信號地線上的干擾是十分嚴重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上,會造成嚴重的共模輻射問題。為了取得較好的濾波效果,必須準備一塊干凈地。并與信號地只能在一點連接起來,這個流通點稱為“橋”,所有信號線都從橋上通過,以減小信號環路面積。

2、濾波器要并排設置

同一組電纜內的所有導線的未濾波部分在—起,已濾波部分在一起。否則,一根導線的耒濾波部分會將另一根導線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效。

3、濾波器要盡量靠近電纜的端口

波器與面板之間的導線的距離應盡量短。必要時,使用金屬板遮擋一下,隔離近場干擾。

4、濾波器與機箱的搭接

安裝濾波器的干諍地要與金屬機箱可靠地搭接起來,如果機箱不是金屬的,就在線路板下方設置一塊較大的金屬板來作為濾波地。干凈地與金屬機箱之間的搭接要保證很低的射頻阻抗。如有必要,可以使用電磁密封襯墊搭接,增加搭接面積,減小射頻阻抗。

5、濾波器接地線要短

考慮到引腳的電感效應,其重要性前面已討淪,濾波器的局部布線和設計線路板與機箱(金屬板)的連接結構時要特別注意。

6、濾波線與未濾波線分組

在端口濾波的電纜和不濾波的電纜應盡量遠離,防止發生上述的耦合問題。

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