濾波器
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濾波器（filter）是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電?！ ?/p>
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濾波器概述
對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器。
其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率，
濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。
主要作用是：讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。
濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號
利用這個特性可以將通過濾波器的一個波群或復(fù)合噪波，而得到一個特定頻率的正弦波。
濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個電容器和一個電感器構(gòu)成，稱為L型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成。基本單節(jié)式濾波器由一個串聯(lián)臂及一個并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器，如圖3-67所示。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L型及π型兩種。就L型單節(jié)濾波器而言，其電感抗XL與電容抗XC，對任一頻率為一常數(shù)，其關(guān)系為
XL.XC=K2
故L型濾波器又稱為K常數(shù)濾波器。倘若一濾波器的構(gòu)成部分，較K常數(shù)型具有較尖銳的截止頻率（即對頻率范圍選擇性強），而同時對此截止頻率以外的其他頻率只有較小的衰減率者，稱為m常數(shù)濾波器。所謂截止頻率，亦即與濾波器有尖銳諧振的頻率。通帶與帶阻濾波器都是m常數(shù)濾波器，m為截止頻率與被衰減的其他頻率之衰減比的函數(shù)。每一m常數(shù)濾波器的阻抗與K常數(shù)濾波器之間的關(guān)系，均由m常數(shù)決定，此常數(shù)介于0～1之間。當m接近零值時，截止頻率的尖銳度增高，但對于截止頻的倍頻之衰減率將隨著而減小。最合于實用的m值為0.6。至于那一頻率需被截止，可調(diào)節(jié)共振臂以決定之。m常數(shù)濾波器對截止頻率的衰減度，決定于共振臂的有效Q值之大小。若達K常數(shù)及m常數(shù)濾波器組成級聯(lián)電路，可獲得尖銳的濾波作用及良好的頻率衰減。
濾波器作用
濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件?！安ā笔且粋€非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)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(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù)，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(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時間信號，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計算機對信號進行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)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(xiàn)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(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時，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，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程?！ ?/p>
濾波器類型
巴特沃斯響應(yīng)（最平坦響應(yīng)）
巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦，非常接近DC信號，然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要。
貝塞爾響應(yīng)
除了會改變依賴于頻率的輸入信號的幅度外，濾波器還會為其引入了一個延遲。延遲使得基于頻率的相移產(chǎn)生非正弦信號失真。就像巴特沃斯響應(yīng)利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣，貝塞爾響應(yīng)最小化了通帶的相位非線性。
切貝雪夫響應(yīng)
在一些應(yīng)用當中，最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。附錄A包含了設(shè)計多達8階的具巴特沃斯、貝塞爾和切貝雪夫響應(yīng)濾波器所需參數(shù)的表格。其中兩個表格用于切貝雪夫響應(yīng)∶一個用于0.1dB最大通帶紋波；另一個用于1dB最大通帶紋波?！ ?/p>
濾波器的階數(shù)
濾波器的階數(shù)是指在濾波器的傳遞函數(shù)中有幾個極點.階數(shù)同時也決定了轉(zhuǎn)折區(qū)的下降速度，一般每增加一階(一個極點)，就會增加一20dBDec(一20dB每十倍頻程)?！ ?/p>
濾波器設(shè)計
濾波器特性可以用其頻率響應(yīng)來描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等。
用來說明濾波器性能的技術(shù)指標主要有：
中心頻率f0，即工作頻帶的中心
帶寬BW
通帶衰減，即通帶內(nèi)的最大衰減
阻帶衰減
對于實際濾波器而言，考慮到實際的組成元件的品質(zhì)因數(shù)的取值是一有限值（因為受限于材料與工藝的水平），所以所有工程上的實用濾波器都是有損濾波器，因此對于這些濾波器還應(yīng)考慮通帶內(nèi)的最小插入衰減。
現(xiàn)代濾波器設(shè)計，多是采用濾波器變換的方法加以實現(xiàn)。主要是通過對低通原型濾波器進行頻率變換與阻抗變換，來得到新的目標濾波器?！ ?/p>
濾波器選取
集總低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據(jù)此特性推導(dǎo)出來的。正因如此，才使得濾波器的設(shè)計得以簡化，精度得以提高。
理想的低通濾波器應(yīng)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(yīng)該被無限的衰減，從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)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(xiàn)的，所有的設(shè)計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同，可以得到不同的響應(yīng)。雖然逼近函數(shù)函數(shù)多種多樣，但是考慮到實際電路的使用需求，我們通常會選用“巴特沃斯響應(yīng)”或“切比雪夫響應(yīng)”。
“巴特沃斯響應(yīng)”帶通濾波器具有平坦的響應(yīng)特性，而“切比雪夫響應(yīng)”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(jù)電路或系統(tǒng)的具體要求而定。但是，“切比雪夫響應(yīng)”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(yīng)用中，推薦使用“切比雪夫響應(yīng)”濾波器?！ ?/p>
濾波器的分類
1、按所處理的信號
按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。
2、按所通過信號的頻段
按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。
低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。
高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。
帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。
帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過?！ ?/p>
3、按所采用的元器件
按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。
3.1、無源濾波器： 僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。
3.2、有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用?！ ?/p>
4、根據(jù)濾波器的安放位置
根據(jù)濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。
4.1、板上濾波器安裝在線路板上，如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優(yōu)點是經(jīng)濟，缺點是高頻濾波效果欠佳。其主要原因是：
4.1.1、濾波器的輸入與輸出之間沒有隔離，容易發(fā)生耦合；
4.1.2、濾波器的接地阻抗不是很低，削弱了高頻旁路效果；
4.1.3、濾波器與機箱之間的一段連線會產(chǎn)生兩種不良作用： 一個是機箱內(nèi)部空間的電磁干擾會直接感應(yīng)到這段線上，沿著電纜傳出機箱，借助電纜輻射，使濾波器失效；另一個是外界干擾在被板上濾波器濾波之前，借助這段線產(chǎn)生輻射，或直接與線路板上的電路發(fā)生耦合，造成敏感度問題；
4.2、濾波陣列板、濾波連接器等面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上。由于直接安裝在金屬面板上，濾波器的輸入與輸出之間完全隔離，接地良好，電纜上的干擾在機箱端口上被濾除，因此濾波效果相當理想。缺點是必須在設(shè)計初期考慮安裝所需的配合結(jié)構(gòu)?！ ?/p>
數(shù)字濾波器
與模擬濾波器相對應(yīng)，在離散系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用數(shù)字濾波器。它的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理。或者說，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(shù)字濾波器一般可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種方法是用數(shù)字硬件裝配成一臺專門的設(shè)備，這種設(shè)備稱為數(shù)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(xiàn)?！ ?/p>
低通濾波器
(low-passfilter) 低通濾波器是容許低于截至頻率的信號通過， 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(yīng)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(shè)備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)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(fā)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(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)（moving average)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和切比雪夫濾波器?！ ?/p>
模擬濾波器
模擬濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x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(shù)字信號分析系統(tǒng)中的抗頻混濾波；高通濾波器被用于聲發(fā)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(jù)中心頻率與帶寬之問的數(shù)值關(guān)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(yīng)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(yīng)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(zhì)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(chǎn)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，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(shù)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(yīng)，通過輸入叉指換能器(IDT)將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，并局限在基片表面?zhèn)鞑ィ敵鯥DT將聲信號恢復(fù)成電信號，實現(xiàn)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(shù)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(shè)計靈活等優(yōu)點。
介質(zhì)濾波器
介質(zhì)濾波器利用介質(zhì)陶瓷材料的低損耗、高介電常數(shù)、頻率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、可承受高功率等特點設(shè)計制作的，由數(shù)個長型諧振器縱向多級串聯(lián)或并聯(lián)的梯形線路構(gòu)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(fēng)、無線電臺、無繩電話以及一體化收發(fā)雙工器等的級向耦合濾波。
濾波器安裝注意事項
板上濾波器雖然對高頻的濾波效果不理想，但是如果應(yīng)用得當，可以滿足大部分民用產(chǎn)品電磁兼容的要求。在使用時要注意以下事項：
1、“干凈地”
如果決定使用板上濾波器，在布線時就要注意在電纜端口處留出一塊“干凈地”，濾波器和連接器都安裝在“干凈地”上。通過前面的討論，可知信號地線上的干擾是十分嚴重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上，會造成嚴重的共模輻射問題。為了取得較好的濾波效果，必須準備一塊干凈地。并與信號地只能在一點連接起來，這個流通點稱為“橋”，所有信號線都從橋上通過，以減小信號環(huán)路面積。
2、濾波器要并排設(shè)置
同一組電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線的未濾波部分在—起，已濾波部分在一起。否則，一根導(dǎo)線的耒濾波部分會將另一根導(dǎo)線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效?！ ?/p>
3、濾波器要盡量靠近電纜的端口
波器與面板之間的導(dǎo)線的距離應(yīng)盡量短。必要時，使用金屬板遮擋一下，隔離近場干擾。
4、濾波器與機箱的搭接
安裝濾波器的干諍地要與金屬機箱可靠地搭接起來，如果機箱不是金屬的，就在線路板下方設(shè)置一塊較大的金屬板來作為濾波地。干凈地與金屬機箱之間的搭接要保證很低的射頻阻抗。如有必要，可以使用電磁密封襯墊搭接，增加搭接面積，減小射頻阻抗。
5、濾波器接地線要短
考慮到引腳的電感效應(yīng)，其重要性前面已討淪，濾波器的局部布線和設(shè)計線路板與機箱（金屬板）的連接結(jié)構(gòu)時要特別注意。
6、濾波線與未濾波線分組
在端口濾波的電纜和不濾波的電纜應(yīng)盡量遠離，防止發(fā)生上述的耦合問題。
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