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电子工程基础知识:滤波器

导读: 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个选频电路。

  1.滤波器的功能

  滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个选频电路。

  滤波器中,把信号能够通过的频率范围,称为通频带或通带;反之,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带;通带和阻带之间的分界频率称为截止频率;理想滤波器在通带内的电压增益为常数,在阻带内的电压增益为零;实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。

  2.滤波器的分类

  ( 1)按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

  ( 2)按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

  低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。

  高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。

  带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

  带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。

  ( 3)按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

  无源滤波器: 仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。

  有源滤波器:由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件);缺点是:通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如 无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。

  3. 滤波器的主要参数

  ( 1)通带增益A0:滤波器通带内的电压放大倍数。

  ( 2)特征角频率 和特征频率fn:它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关,通常

  

  对于带通(带阻)滤波器,称为带通(带阻)滤波器的中心角频率 或中心频率f0,是 通带(阻带)内电压增益最大(最小)点的频率。

  ( 3)截止角频率 和截止频率f0:它是电压增益下降到 (即)时所对应的角频率。必须注意 不一定等于 。带通和带阻滤波器有两个 ,即

  ( 4)通带(阻带)宽度BW:它是带通(带阻)滤波器的两个 之差值,即

  

  ( 5)等效品质因数Q:对低通和高通滤波器而言,Q值等于 时滤波器电路电压增益的模与通带增益之比,即 ;对带通(带阻)滤波器而言,Q值等于中心角频率与通带(阻带)宽度BW之比,即

  

  4. 有源滤波器的阶数

  有源滤波器传递函数分母中“S”的最高“方次”称为滤波器的“阶数”。阶数越高,滤波器幅频特性的过渡带越陡,越接近理想特性。一般情况下,一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减;二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。

  5. 低通和高通滤波器之间的对偶关系

  ( 1)幅频特性的对偶关系

  当低通滤波器和高通滤波器的通带增益 A0、 截止频率 或 f0分别相等时,两者的幅频特性曲线相对于垂直线f=f0对称。

  ( 2)传递函数的对偶关系

  将低通滤波器传递函数中的S换成1/S,则变成对应的高通滤波器的传递函数。

  ( 3)电路结构上的对偶关系

  将低通滤波器中的 起滤波作用的电容C换成电阻R,并将起滤波作用的电阻R换成电容C,则低通滤波器 转化为对应的高通滤波器。

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