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濾波器工作原理及應用介紹

濾波器工作原理及應用介紹

  • 分類:行業新聞
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  • 來源:
  • 2018年09月20日

【概要描述】

濾波器工作原理及應用介紹

【概要描述】

  • 2018-09-20
詳情

電源濾波器就是對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電器設備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器,得到一個特定頻率的電源信號,或消除一個特定頻率后的電源信號。

 

濾波器主要作用

 

濾波器,顧名思義,是對波進行過濾的器件。“波”是一個非常廣泛的物理概念,在電子技術領域,“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用,被轉換為電壓或電流的時間函數,稱之為各種物理量的時間波形,或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續取值的,所以稱之為連續時間信號,又習慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術的產生和飛速發展,為了便于計算機對信號進行處理,產生了在抽樣定理指導下將連續時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說,可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息,波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化,自然就是現代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播,靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產生、轉換、傳輸的每一個環節都可能由于環境和干擾的存在而畸變,甚至是在相當多的情況下,這種畸變還很嚴重,以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了

 

濾波器主要參數

 

濾波器的主要參數(Definitions):

 

中心頻率(Center Frequency):濾波器通帶的頻率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。

 

截止頻率(Cutoff Frequency):指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。相對損耗的參考基準為:低通以DC處插損為基準,高通則以未出現寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準。

 

通帶帶寬(BWxdB):指需要通過的頻譜寬度,BWxdB=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準,下降X(dB)處對應的左、右邊頻點。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征濾波器通帶帶寬參數。分數帶寬(fractional bandwidth)=BW3dB/f0×100[%],也常用來表征濾波器通帶帶寬。

 

插入損耗(Insertion Loss):由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗,以中心或截止頻率處損耗表征,如要求全帶內插損需強調。

 

紋波(Ripple):指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內,插損隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峰-峰值。

 

帶內波動(Passband Riplpe):通帶內插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內的帶內波動是1dB。

 

帶內駐波比(VSWR):衡量濾波器通帶內信號是否良好匹配傳輸的一項重要指標。理想匹配VSWR=1:1,失配時VSWR>1。對于一個實際的濾波器而言,滿足VSWR<1.5:1的帶寬一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例與濾波器階數和插損相關。

 

回波損耗(Return Loss):端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數,也等于|20Log10ρ|,ρ為電壓反射系數。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。

 

阻帶抑制度:衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標。該指標越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法:一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB,計算方法為fs處衰減量As-IL;另一種為提出表征濾波器幅頻響應與理想矩形接近程度的指標——矩形系數(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可為40dB、30dB、20dB等)。濾波器階數越多矩形度越高——即K越接近理想值1,制作難度當然也就越大。

 

延遲(Td):指信號通過濾波器所需要的時間,數值上為傳輸相位函數對角頻率的導數,即Td=df/dv。

 

帶內相位線性度:該指標表征濾波器對通帶內傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應函數設計的濾波器具有良好的相位線性度。

 

濾波器特性指標

 

    1、特征頻率:

 

    1)通帶截頻fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號增益下降到一個人為規定的下限;

 

    2)阻帶截頻fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號衰耗下降到一人為規定的下限;

 

    3)轉折頻率fc=wc/(2p)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率,在很多情況下,常以fc作為通帶或阻帶截頻;

 

    4)固有頻率f0=w0/(2p)為電路沒有損耗時,濾波器的諧振頻率,復雜電路往往有多個固有頻率。

 

    2、增益與衰耗

 

濾波器在通帶內的增益并非常數

 

    1)對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益;高通指w→∞時的增益;帶通則指中心頻率處的增益;

 

    2)對帶阻濾波器,應給出阻帶衰耗,衰耗定義為增益的倒數;

 

    3)通帶增益變化量△Kp指通帶內各點增益的最大變化量,如果△Kp以dB為單位,則指增益dB值的變化量。

 

3、阻尼系數與品質因數

 

    阻尼系數是表征濾波器對角頻率為w0信號的作用,是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。

 

    阻尼系數的倒數稱為品質因數,是*價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標,Q= w0/△w。式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬,w0為中心頻率,在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。

 

4、靈敏度

 

    濾波電路由許多元件構成,每個元件參數值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數x變化的靈敏度記作Sxy,定義為:Sxy=(dy/y)/(dx/x)。

 

    該靈敏度與測量儀器或電路系統靈敏度不是一個概念,該靈敏度越小,標志著電路容錯能力越強,穩定性也越高。

 

5、群時延函數

 

當濾波器幅頻特性滿足設計要求時,為保證輸出信號失真度不超過允許范圍,對其相頻特性∮(w)也應提出一定要求。在濾波器設計中,常用群時延函數d∮(w)/dw*價信號經濾波后相位失真程度。群時延函數d∮(w)/dw越接近常數。

 

 

濾波器選取方式

 

幾種低通原型濾波器是現代網絡綜合法設計濾波器的基礎,各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據此特性推導出來的。正因如此,才使得濾波器的設計得以簡化,精度得以提高。

 

理想的低通濾波器應該能使所有低于截止頻率的信號無損通過,而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現矩形,故而也稱為矩形濾波器(brick-wallfilter)。

 

遺憾的是,如此理想的特性是無法實現的,所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據所選的逼近函數的不同,可以得到不同的響應。雖然逼近函數多種多樣,但是考慮到實際電路的使用需求,通常會選用“巴特沃斯響應”或“切比雪夫響應”。

 

“巴特沃斯響應”帶通濾波器具有平坦的響應特性,而“切比雪夫響應”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性,需要根據電路或系統的具體要求而定。但是,“切比雪夫響應”濾波器對于元件的變化最不敏感,而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性(位于通帶的中部),所以在一般的應用中,推薦使用“切比雪夫響應”濾波器。

 

 

濾波器常見種類

 

    數字濾波器

 

    與模擬濾波器相對應,在離散系統中廣泛應用數字濾波器。它的作用是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理?;蛘哒f,把輸入信號變成一定的輸出信號,從而達到改變信號頻譜的目的。數字濾波器一般可以用兩種方法來實現:一種方法是用數字硬件裝配成一臺專門的設備,這種設備稱為數字信號處理機;另一種方法就是直接利用通用計算機,將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成,即利用計算機軟件來實現。

 

    低通濾波器

 

    低通濾波器是指車載功放中能夠讓低頻信號通過而不讓中、高頻信號通過的電路,其作用是濾去音頻信號中的中音和高音成分,增強低音成分以驅動揚聲器的低音單元。由于車載功放大部分都是全頻段功放,通常采用AB類放大設計,功率損耗比較大,所以濾除低頻段的信號,只推動中高頻揚聲器是節省功率、保證音質的最佳選擇。此外高通濾波器常常和低通濾波器成對出現,不論哪一種,都是為了把一定的聲音頻率送到應該去的單元。

 

    低通濾波器是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。

 

    對于不同濾波器而言,每個頻率的信號的減弱程度不同。當使用在音頻應用時,它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。

 

    低通濾波器概念有許多不同的形式,其中包括電子線路(如音頻設備中使用的hiss濾波器、平滑數據的數字算法、音障(acoustic barriers)、圖像模糊處理等等,這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發展趨勢提供了信號的平滑形式。

 

    低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領域如金融領域中移動平均數所起的作用;

 

    低通濾波器有很多種,其中,最通用的就是巴特沃斯濾波器。

 

    帶通濾波器

 

1、帶通濾波器的工作原理:

 

    一個理想的濾波器應該有一個完全平坦的通帶,例如在通帶內沒有增益或者衰減,并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉,另外,通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上,并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉,尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現象,并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常,濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好,這樣濾波器的性能就與設計更加接近。然而,隨著滾降范圍越來越小,通帶就變得不再平坦—開始出現“波紋”。這種現象在通帶的邊緣處尤其明顯,這種效應稱為吉布斯現象。

 

除了電子學和信號處理領域之外,帶通濾波器應用的一個例子是在大氣科學領域,很常見的例子是使用帶通濾波器過濾3到10天時間范圍內的天氣數據,這樣在數據域中就只保留了作為擾動的氣旋。

 

在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率,這里濾波器的增益最大,濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。

 

2、帶通濾波器的應用區域:

 

許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器,以選出各個不同頻段的信號,在顯示上利用發光二極管點亮的多少來指示出信號幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率 ,在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1,品質因數 ,3dB帶寬B=1/(п*R3*C)也可根據設計確定的Q、fo、Ao值,去求出帶通濾波器的各元件參數值。R1=Q/(2пfoAoC),R2=Q/((2Q2-Ao)*2пfoC),R3=2Q/(2пfoC)。上式中,當fo=1KHz時,C取0.01Uf。此電路亦可用于一般的選頻放大。 有源帶通濾波器電路,此電路亦可使用單電源

 

模擬濾波器

 

模擬濾波器在測試系統或專用儀器儀表中是一種常用的變換裝置。例如:帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置;低通濾波器用作數字信號分析系統中的抗頻混濾波;高通濾波器被用于聲發射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲;帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器,等等。

 

用于頻譜分析裝置中的帶通濾波器,可根據中心頻率與帶寬之問的數值關系,分為兩種:

 

一種是帶寬B不隨中心頻率人而變化,稱為恒帶寬帶通濾波器,其中心頻率處在任何頻段上時,帶寬都相同;

 

另一種是帶寬B與中心頻率人的比值是不變的,稱為恒帶寬比帶通濾波器,其中心頻率越高,帶寬也越寬。

 

聲表面波濾波器

 

聲表面波是指聲波在彈性體表面的傳播,這個波被稱為彈性聲表面波。聲表面波的傳播速度比電磁波的速度約小10萬倍。聲表面波濾波器是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料,利用其壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件,廣泛應用于電視機及錄像機中頻電路中,以取代LC中頻濾波器,使圖像、聲音的質量大大提高。

 

SAW 聲表濾波器、聲表諧振器,是在壓電基片材料表面產生并傳播、且其振幅隨深入基片本材料的深度增加而迅速減少的的彈性波。聲表面波(SAW)是傳播于壓電晶體表面的機械波,其聲速僅為電磁波速的十萬分之一,傳播衰耗很小。

 

SAW 聲表器件是在壓電基片上采用微電子工藝技術制作叉指形電聲換能器和反射器耦合器等,利用基片材料的壓電效應,通過輸入叉指換能器(IDT)將電信號轉換成聲信號,并局限在基片表面傳播,輸出IDT將聲信號恢復成電信號,實現電-聲-電的變換過程,完成電信號處理過程,獲得各種用途的電子器件。采用了先進微電子加工技術制造的聲表面波器件,具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、多功能以及設計靈活等優點。

 

介質濾波器

 

介質濾波器利用介質陶瓷材料的低損耗、高介電常數、頻率溫度系數和熱膨脹系數小、可承受高功率等特點設計制作的,由數個長型諧振器縱向多級串聯或并聯的梯形線路構成。其特點是插入損耗小、耐功率性好、帶寬窄,特別適合CT1,CT2,900MHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz,便攜電話、汽車電話、無線耳機、無線麥克風、無線電臺、無繩電話以及一體化收發雙工器等的級向耦合濾波。

 

有源電力濾波器

 

有源電力濾波器是一種動態抑制諧波和補償無功的電力電子裝置,它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償,可以彌補無源濾波器的缺點,獲得比無源濾波器更好的補償特性,是一種理想的補償諧波裝置。早在70年代,有源電力濾波器的基本原理和主電路拓撲結構就已被確定,但由于受當時的技術條件限制,未能使有源電力濾波器得以實施。進入80年代后,新型電力電子器件的出現、PWM控制技術的發展以及瞬時無功功率理論的提出,極大地促進了有源電力濾波器技術的發展。國外已開始在工業和民用設備上廣泛使用有源電力濾波器,并且單機裝置的容量逐步提高,其應用領域從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統供電質量的方向發展。

 

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