滤波器 滤波器原理 滤波器设计 滤波器应用.doc

滤波器_滤波器原理_滤波器设计_滤波器应用滤波器原理
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,而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中,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。
广义地讲,任何一种信息传输的通道(媒质)都可视为是一种滤波器。因为,任何装置的响应特性都是激励频率的函数,都可用频域函数描述其传输特性。因此,构成测试系统的任何一个环节,诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等,都将在一定频率范围内,按其频域特性,对所通过的信号进行变换与处理。
本文所述内容属于模拟滤波范围。主要介绍模拟滤波器原理、种类、数学模型、主要参数、RC滤波器设计。尽管数字滤波技术已得到广泛应用,但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。带通滤波器
二、滤波器分类
⒈根据滤波器的选频作用分类
⑴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。
⑵高通滤波器
与低通滤波相反,从频率f1~∞,其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过,而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。
⑶带通滤波器
它的通频带在f1~f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过,而其它成分受到衰减。
⑷带阻滤波器
与带通滤波相反,阻带在频率f1~f2之间。滤波器使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减,其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。
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低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种基本的形式,其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器,例如:低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。
低通滤波器与高通滤波器的串联
低通滤波器与高通滤波器的并联
⒉根据“佳逼近特性”标准分类
⑴巴特沃斯滤波器
从幅频特性提出要求,而不考虑相频特性。巴特沃斯滤波器具有大平坦幅度特性,其幅频响应表达式为:
⑵切比雪夫滤波器
切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的,其幅频响应表达式为:
ε是决定通带波纹大小的系数,波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件;Tn是类切贝雪夫多项式。
与巴特沃斯逼近特性相比较,这种特性虽然在通带内有起伏,但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭,更接近理想情况。ε值越小,通带起伏越小,截止频率点衰减的分贝值也越小,但进入阻带后衰减特性变化缓慢。切贝雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器进行比较,切贝雪夫滤波器的通带有波纹,过渡带轻陡直,因此,在不允许通带内有纹波的情况下,巴特沃斯型更可取;从相频响应来看,巴特沃斯型要优于切贝雪夫型,通过上面二图比较可以看出,前者的相频响应更接近于直线。
⑶贝塞尔滤波器
只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比,即为一线性关系。但是由于它的幅频特性欠佳,而往往限制了它的应用。
二、理想滤波器
理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真,阻带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。也就是说,理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数,相频特性的斜率为常值;在通带外的幅频特性应为零。
理想低通滤波器的频率响应函数为:
其幅频及相频特性曲线为:
分析上式所表示的频率特性可知,该滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sinc函数,图形如下图所示。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸,从图中可以看出,在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前,即在t<0时,滤波器就已经有响应了。显然,这是一种非因果关系,在物理上是不能实现的。这说明在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性,或者说在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的。实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止,而会逐渐衰减并延伸到∞。
三、实际滤波器
⒈实际滤波器的基本参数
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