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濾波器原理,各式盡在掌握

發(fā)布時間:2020-06-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】濾波器作為電子系統(tǒng)中十分常見的工具,在信號處理中占有重要地位。本文將對兩種典型的濾波器原理進(jìn)行分析,并借以理解其他各式濾波器。
  
濾波器作為電子系統(tǒng)中十分常見的工具,在信號處理中占有重要地位。本文將對兩種典型的濾波器原理進(jìn)行分析,并借以理解其他各式濾波器。
 
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,而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中,利用濾波器的這種選頻作用,可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析,從而達(dá)到“去除雜波,選擇信號”的作用。
 
廣義地講,任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ?媒質(zhì))都可視為是一種濾波器。因為,任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵頻率的函數(shù),都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此,構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié),諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等,都將在一定頻率范圍內(nèi),按其頻域特性,對所通過的信號進(jìn)行變換與處理。
 
濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器五類。本文將分析介紹低通濾波器和高通濾波器這兩種常用濾波器原理,以求觸類旁通,同時掌握所有五種濾波器。
 
【低通濾波器】
所謂低通濾波器(LPS:low pass filter)是允許低頻訊號通過,而不允許高頻訊號通過的濾波器。容許低于截止頻率的信號通過, 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。以一階低通濾波器為例,其組成與響應(yīng)曲線如下: 截止頻率:f=1/(2*Pi*R*C) ,。
 
濾波器原理,各式盡在掌握
頻率低于fh時,增益為電壓增益;頻率高于fh時,增益的衰減斜率為每10倍頻率20dB。
 
由此即可濾除頻率高于fh的信號,只保留低于fh的部分。
 
為幫助更好地理解,舉一個例子:一個固體屏障就是一個聲波的低通濾波器。當(dāng)另外一個房間中播放音樂時,很容易聽到音樂的低音,但是高音部分大部分被過濾掉了。類似的情況是,一輛小汽車中非常大的音樂聲在另外一個車中的人聽來卻是低音節(jié)拍,因為這時封閉的汽車(和空氣間隔)起到了低通濾波器的作用,減弱了所有的高音。
 
對于高于fh的頻率,信號按該頻率平方的速率下降。在頻率fh處,阻尼值使輸出信號衰減??梢约壜?lián)多個這樣的濾波器部分來得到一個更高階的(更陡峭的轉(zhuǎn)降)濾波器。假定設(shè)計要求一個截止頻率為10kHz的四階貝塞爾(Bessel) 低通濾波器。根據(jù)參考文獻(xiàn)1,每部分的轉(zhuǎn)降頻率分別為16.13及18.19 kHz,阻尼值分別為1.775及0.821,并且這兩個濾波器分區(qū)的高通、帶通和低通系數(shù)分別為0、0與1。您可以使用這兩個帶有上述參數(shù)的濾波器部分來實(shí)現(xiàn)所要求的濾波器。截止頻率為輸出信號衰減3 dB的頻率點(diǎn)。
 
【高通濾波器】
高通濾波器允許信號中的高頻分量通過,抑制低頻或直流分量。是一種讓某一頻率以上的信號分量通過,而對該頻率以下的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置.一階高通濾波器原理圖及幅頻特性曲線如下:
 
類比低通濾波器,我們不難得出:假設(shè)截止頻率為fh,則頻率高于fh時,增益為電壓增益;頻率低于fh時,增益的增長斜率為每10倍頻率20dB。
 
換句話講,高通濾波器可濾除低于某一頻率的信號,只保留高于這一頻率的部分。
 
濾波器原理,各式盡在掌握
 
【帶通濾波器】
帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器,與帶阻濾波器的概念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。
 
這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。將上述兩種典型濾波器加以組合,過濾掉低于fl的部分和高于fh的部分,則剩下的就是頻率介于fl與fh之間的帶通部分。
 
【帶阻濾波器】
帶阻濾波器(簡稱BSF)是指能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器,與帶通濾波器的概念相對。
 
類比上面帶通濾波器,不難看出,帶阻濾波器同樣可視為高通和低通濾波器的疊加——即濾除頻率低于fh的部分和高于fl的部分,只保留剩下的部分(右圖中的通帶部分)。
 
【全通濾波器】
全通濾波器是指在全頻帶范圍內(nèi),信號的幅值不會改變,也就是全頻帶內(nèi)幅值增益恒等于1。很顯然,當(dāng)?shù)屯V波器與高通濾波器截止頻率相等時,即fl=fh時,在全頻域內(nèi)信號幅頻特性曲線均無下降,為一條平行于頻率軸的直線。此時為全通狀態(tài)。
 
【總結(jié)】綜上所述,在了解了高通濾波器和低通濾波器的原理之后,我們就可以很輕易地理解所有濾波器的相關(guān)性質(zhì)。只要牢記這兩種濾波器原理,其他濾波器也不在話下。

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