最全滤波器分类及原理解析

佚名 发表于 2017-12-24 09:24:23 收藏 已收藏
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最全滤波器分类及原理解析

佚名 发表于 2017-12-24 09:24:23
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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,而极大地衰减其他频率成分。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。换句话说,凡是可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。

滤波的概念

滤波是信号处理中的一个重要概念,滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分,保留其直流成分,使输出电压纹波系数降低,波形变得比较平滑。

一般来说,滤波分为经典滤波和现代滤波。

经典滤波是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念,根据高等数学理论,任何一个满足一定条件的信号,都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说,就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的,组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过,而阻止另一部分频率成分通过的电路,叫做经典滤波器或滤波电路。

在经典滤波和现代滤波中,滤波器模型其实是一样的(硬件方面的滤波器其实进展并不大),但现代滤波还加入了数字滤波的很多概念。

滤波电路的原理

当流过电感的电流变化时,电感线圈中产生的感应电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时,电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反,阻止电流的增加,同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时,自感电动势与电流方向相同,阻止电流的减小,同时释放出存储的能量,以补偿电流的减小。

因此经电感滤波后,不但负载电流及电压的脉动减小,波形变得平滑,而且整流二极管的导通角增大。

在电感线圈不变的情况下,负载电阻愈小,输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大,滤波效果愈好。

滤波器的作用

1、将有用的信号与噪声分离,提高信号的抗干扰性及信噪比;

2、滤掉不感兴趣的频率成分,提高分析精度;

3、从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。

理想滤波器与实际滤波器

理想滤波器

使通带内信号的幅值和相位都不失真,阻喧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。

如理想低通滤波器的频率响应函数为:

实际滤波器

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。

如上理想带通和实际带通滤波器的幅频特性图可见,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。

1、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。

2、截止频率fc

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。

3、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。

4、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fc2与 2fc2之间,或者在下截止频率fc1与fc1/2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]。

5、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。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。

滤波器的分类

根据滤波器的选频作用分类

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。

高通滤波器