淺談濾波器原理以及其他基礎(chǔ)知識(shí)

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。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。換句話(huà)說(shuō)，凡是可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)都稱(chēng)之為濾波器。

濾波的概念

濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念，濾波電路的作用是盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。

一般來(lái)說(shuō)，濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。

經(jīng)典濾波是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念，根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿(mǎn)足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。

換句話(huà)說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線(xiàn)性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。

在經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波中，濾波器模型其實(shí)是一樣的(硬件方面的濾波器其實(shí)進(jìn)展并不大)，但現(xiàn)代濾波還加入了數(shù)字濾波的很多概念。

濾波電路的原理

當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過(guò)電感線(xiàn)圈的電流增大時(shí)，電感線(xiàn)圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中;當(dāng)通過(guò)電感線(xiàn)圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。

因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。

在電感線(xiàn)圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>ωL時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。

濾波器的作用

1、將有用的信號(hào)與噪聲分離，提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比;

2、濾掉不感興趣的頻率成分，提高分析精度;

3、從復(fù)雜頻率成分中分離出單一的頻率分量。

電路分類(lèi)

1.按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器

常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類(lèi)。若濾波電路元件僅由無(wú)源元件(電阻、電容、電感)組成，則稱(chēng)為無(wú)源濾波電路。無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。若濾波電路不僅由無(wú)源元件，還由有源元件(雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放)組成，則稱(chēng)為有源濾波電路。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱(chēng)作電子濾波器。

無(wú)源濾波電路

無(wú)源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，因而不適用于信號(hào)處理要求高的場(chǎng)合。無(wú)源濾波電路通常用在功率電路中，比如直流電源整流后的濾波，或者大電流負(fù)載時(shí)采用LC(電感、電容)電路濾波。

有源濾波電路

有源濾波電路的負(fù)載不影響濾波特性，因此常用于信號(hào)處理要求高的場(chǎng)合。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用，同時(shí)還可以進(jìn)行放大。但電路的組成和設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的場(chǎng)合，只適用于信號(hào)處理。

2.根據(jù)濾波器的選頻作用分類(lèi)

(1)低通濾波器

從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。

(2)高通濾波器

與低通濾波相反，從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。

(3)帶通濾波器

它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過(guò)，而其它成分受到衰減。

(4)帶阻濾波器

與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過(guò)。

3.按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器與模擬濾波器的主要區(qū)別：

1、數(shù)字濾波器用于離散系統(tǒng)，模擬濾波器用于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，也可以用在離散時(shí)間系統(tǒng)中，比如SC(開(kāi)關(guān)電容)濾波器。

2、數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。

數(shù)字濾波器可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)。模擬濾波器有有源和無(wú)源的，有源濾波器主要是有運(yùn)放，或者跨到運(yùn)放，及電阻，電容構(gòu)成。無(wú)源的濾波器主要是R,L,C構(gòu)成。模擬濾波器會(huì)有電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問(wèn)題，而數(shù)字濾波器不存在這些問(wèn)題，因而可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度和精度。

3、從實(shí)現(xiàn)手段上看，模擬濾波器一般用電容，電感這些模擬器件搭建的，數(shù)字濾波器可以通過(guò)軟件或者數(shù)字芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬濾波器參數(shù)改變時(shí)要更換電容、電感，很麻煩。數(shù)字濾波器參數(shù)改變時(shí)有時(shí)只需要修改一下系數(shù)就可以做到了(如軟件實(shí)現(xiàn)時(shí))。

4、從技術(shù)指標(biāo)上看，舉個(gè)例子模擬濾波器要達(dá)到-60dB就非常困難了，而數(shù)字濾波器可以比較容易地達(dá)到這個(gè)指標(biāo)。

5、模擬濾波器和數(shù)字濾波器最大的區(qū)別是數(shù)字濾波器關(guān)于Fs/2頻率是翻轉(zhuǎn)的，也就是對(duì)稱(chēng)的;而模擬濾波器不是。所以在DAC之中會(huì)選擇大量插值濾波，把鏡頻頻率放到很遠(yuǎn)的頻點(diǎn)上，之后在射頻段用聲表這樣的模擬濾波器濾掉鏡頻。所以數(shù)字模擬濾波器缺一不可。

6、模擬濾波器與數(shù)字濾波器的表達(dá)方式不同：模擬濾波器用H(S)表示，而數(shù)字濾波器用H(Z)表示。模擬濾波器是以幅頻特性的逼近為主，而數(shù)字濾波器則可以實(shí)現(xiàn)相位的匹配。