濾波器的基礎(chǔ)知識

發(fā)布時間:2023-12-20
1.濾波器的功能
濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過,而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制,它實質(zhì)上是一個選頻電路。
濾波器中,把信號能夠通過的頻率范圍,稱為通頻帶或通帶;反之,信號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;實際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。
2.濾波器的分類
(1)按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。
(2)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(nèi)的信號,允許該頻段以外的信號通過。
(3)按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。
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(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)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(nèi)的信號有能量損耗,負載效應(yīng)比較明顯,使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng),當電感l(wèi)較大時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: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(yōu)點是:通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗,而且還可以放大,負載效應(yīng)不明顯,多級相聯(lián)時相互影響很小,利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(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。
3. 濾波器的主要參數(shù)
(1)通帶增益:濾波器通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)。
(2)特征角頻率和特征頻率:它只與濾波用的電阻和電容元件的參數(shù)有關(guān),通常。對于帶通(帶阻)濾波器,稱為帶通(帶阻)濾波器的中心角頻率或中心頻率,是通帶(阻帶)內(nèi)電壓增益最大(最?。c的頻率。
(3)截止角頻率和截止頻率:它是電壓增益下降到(即)時所對應(yīng)的角頻率。必須注意不一定等于。帶通和帶阻濾波器有兩個,即和。
(4)通帶(阻帶)寬度:它是帶通(帶阻)濾波器的兩個之差值,即。
(5)等效品質(zhì)因數(shù):對低通和高通濾波器而言,值等于時濾波器電路電壓增益的模與通帶增益之比,即;對帶通(帶阻)濾波器而言,值等于中心角頻率與通帶(阻帶)寬度之比,即。
4. 有源濾波器的階數(shù)
有源濾波器傳遞函數(shù)分母中“”的最高“方次”稱為濾波器的“階數(shù)”。階數(shù)越高,濾波器幅頻特性的過渡帶越陡,越接近理想特性。一般情況下,一階濾波器過渡帶按每十倍頻20db速率衰減;二階濾波器每十倍頻40db速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。
5. 低通和高通濾波器之間的對偶關(guān)系
(1)幅頻特性的對偶關(guān)系
當?shù)屯V波器和高通濾波器的通帶增益、截止頻率或分別相等時,兩者的幅頻特性曲線相對于垂直線對稱。
(2)傳遞函數(shù)的對偶關(guān)系
將低通濾波器傳遞函數(shù)中的換成,則變成對應(yīng)的高通濾波器的傳遞函數(shù)。
(3)電路結(jié)構(gòu)上的對偶關(guān)系
將低通濾波器中的起濾波作用的電容c換成電阻r,并將起濾波作用的電阻r換成電容c,則低通濾波器轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的高通濾波器。
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