滤波器基本知识介绍演示幻灯片.ppt

,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,*,滤波器基本知识,劉占,1,目录,滤波器概述,滤波器的分类,1.,按所处理的信号,2.,按所通过信号的频段,3.,按所采用的元器件,滤波器设计,滤波器选取,数字滤波器,模拟滤波器,滤波器内容的拓展,2,简介,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,.,3,濾波器概述,滤波器是,能选择、通过或抑制某频率范围信号的电路,或器件,.,早在,19,世纪,80,年代,电阻、电容滤波电路就已经出现,.,具有频率选择功能的电感、电容谐振回路,(,图,1),可作为最简,单的滤波器,.,由于许多电路和系统都要区分不同频率的信号,滤波器遂被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和,设备中,.,图,1,频率选择电路,下边介绍一下常用滤波器的材质及工作原理,4,陶瓷滤波器是由锆钛酸铅陶瓷材料制成,.,石英晶体滤波器是由,SiO2,材料制成,.,上述两种滤波器的工作原理相同,都是利用这些材料的压电,效应,产生机械形变和电场间的相互转变,使绝缘材料用到了,交变流路中,.,声表面滤波器,(SAW),是由铌酸锂、锆钛酸铅或石英晶体压电,材料为基础构成的一种电,-,声换能器,.,它是通过真空镀法将金,属蒸发在压电基体上,然后通过光刻工艺制成的,.,SAW,由于采用与集成电路相同的平面加工工艺,制造简单,一致性能好,是目前应用极为广泛的集中选频滤波器,.,常见石英晶体滤波器和,SAW,的一些典型参数如下,:,5,石英晶体滤波器指标,声表面带通滤波器的指标,下边介绍一下滤波器的应用频率范围,型号,标称频率,f0/MHz,3dB,带宽,KHz,通带纹波,dB,阻带宽度（,40dB)KHz,插入损耗,dB,中心频率偏差,KHz,LP21073,10.7,20,2,32,2.5,1,LP12141,21.4,15,0.5,30,2,1,LT2,510,0.02%,f,0,0.16%,f,0,2,34BW,6,LT2502,5,2,2,8,6,中心频率,/MHz,101500,相对带宽,f/f0,50%,以上,最小带宽,/KHz,100,矩形系数,1.15,带外抑制,/dB,60,以上,带内波动,/dB,0.05,插入损耗,/dB,最大达,25dB,6,滤波器的应用频率范围,滤波器的应用频率范围极宽,有适用于低到零点几赫的滤波,器,也有高到微波波段的滤波器,.,根据滤波频率的中心频率和其,他要求的不同,滤波器中采用各种谐振元件,电感、电容是最常,用的谐振元件,.,对于工作于,1,千赫,100,兆赫、相对带宽较窄且温,度和时间稳定性要求高的滤波器,常用压电晶体作为谐振元件,(,见晶体滤波器,).,还有用金属棍、盘作为谐振元件的机械滤波器,和把晶体与机械滤波器原理合并而成声表面波滤波器（图,2,）,.,图,2,不同的滤波器适应的频率范围,7,常用滤波器的特点介绍,SAW,的工作频率最高,.,陶瓷滤波器最低；,晶体滤波器的相对带宽最窄,而,SAW,可窄可宽；,均有一定的插入损耗,特别是多级级联实现良好的矩形系,数要求是,插入损耗会更大,.,使用这些滤波器时需要注意的是：,所有的这些滤波器特性,均是在输入输出匹配的条件下测得,的,因此使用时必须注意滤波器的前后的阻抗匹配,.,滤波器有一定的插入损耗,它与放大器相连时若放在放大器,前面,先滤波后放大,有利于清除干扰,但不利于整机的噪声,性能,.,若放在放大器后面,有利于提高噪声性能,但干扰也被,放大,特别是强干扰会引起一系列的失真,.,一般需要具体问题,具体考虑,.,8,滤波器类型,巴特沃斯滤波器（最平坦响应）,巴特沃斯滤波器,.,特点是通频带的频率响应曲线最大限度,平坦,没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零,.,巴特沃斯响应能够,最大化滤波器的通带平坦度,.,特别适用于低频,其对于维护增益,的平坦性非常重要,.,在振幅的对数对角频率的波特图上,(,下图,),从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋,于负无穷大,.,9,切比雪夫滤波器,(1),切比雪夫滤波器是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹,波动的滤波器,.,在通带波动的为,I,型切比雪夫,滤波器,在阻,带波动的为,II,型切比雪夫,滤波器,.,切比雪夫,滤波器在过渡,带比,巴特沃斯,滤波器的衰减快,但频率响应的幅频特性不如,后者平坦,.,切比雪夫,滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之,间的误差最小,但是在通频带内存在幅度波动,.,那么是,I,型,和,II,型,哪种常用呢,?,I,型切比雪夫,滤波器,最,为,常,见,.,II,型切比雪夫,滤波器,也称倒数,切比雪夫,滤波器,.,较不常用,主要原因,:,1.,频率截止速度不如,I,型,快,2.,需要用更多的电子元件,.,10,切比雪夫响应,(2),切比雪夫滤波器的频率响应曲线如下：,两种滤波器的使用范围：,如果需要快速衰,减,而允,许通频带,存在少,许,幅度波,动,可用第一,类,切比雪夫,滤,波器,.,如果需要快速衰減而不允,许,通,频带,存在幅度波,动,可用第二,类,切比雪夫,滤,波器,.,11,椭圆函数滤波器,椭圆滤波器是在通带和阻带等纹波的一种滤波器,.,椭圆函,数滤波器相比其他类型的滤波器,在阶数相同的条件下有着最,小的通带和阻带波动,.,它在通带和阻带的波动相同,这一点区,别在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器,以及通带平坦、阻,带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器,.,椭圆函数滤波器的频率响应曲线如下：,12,三种滤波器的对比（,1,）,13,三种滤波器的对比（,2,）,从上图可以看到：,巴特沃斯滤波器的衰减速度比其他类型的滤波器缓慢,但十分平坦,没有幅度变化,.,两种切比雪夫滤波器比巴特沃斯滤波器陡峭,但不如椭圆函数滤波器,然后后者幅度波动较大,.,椭圆滤波器比其他滤波器更陡,因此在选择滤波器的时候,椭圆滤波器能够以比较低的阶数获得较窄的过度频宽,但是它在通带和阻带上都有波动,.,14,滤波器的分类,按所处理的信号,按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种,.,按所通过信号的频段,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,:,1.,低通滤波器,:,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,.,2.,高通滤波器,:,允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分,量,.,3.,带通滤波器,:,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,.,4.,带阻滤波器,:,抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号,通过,.,15,按所采用的元器件,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,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,.,16,有源滤波器,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,.,17,滤波器设计,滤波器特性可以用其频率响应来描述,按其特性的不同,可以分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器,等,.,用来说明滤波器性能的技术指标主要有：,中心频率,f0,即工作频带的中心頻率,带宽,BW,通带衰减,即通带内的最大衰减,阻带衰减,最小插入衰减,.,现代滤波器设计,多是采用滤波器变换的方法加以实现,.,主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换,来,得到新的目标滤波器,.,18,滤波器选取,(1),集总低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基,础,各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性,推导出来的,.,正因如此,才使得滤波器的设计得以简化,精度,得以提高,.,理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无,损通过,而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减,从,而在幅频特性曲线上呈现矩形,故而也称为矩形滤波器,.,遗憾,的是,如此理想的特性是无法实现的,所有的设计只不过是力,图逼近矩形滤波器的特性而已,.,根据所选的逼近函数的不同,可以得到不同的响应,.,虽然逼近函数函数多种多样,但是考虑,到实际电路的使用需求,我们通常会选用“巴特沃斯响应”,或“切比雪夫响应”,.,19,滤波器选取,(2),“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性,而“,切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性,.,所以具体,选用何种特性,.,需要根据电路或系统的具体要求而定,.,但是,“,切比雪夫响应”滤波器对于元件的变化最不敏感,而且兼具良,好的选择性与很好的驻波特性（位于通带的中部）,所以在一,般的应用中,推荐使用“切比雪夫响应”滤波器,.,上面提到了矩形滤波器,下边简单介绍一下什么是矩,形滤波器,?,20,矩形滤波器,矩形滤波器,是理想的低通滤波器的模型,它能使所有,低于截止频率的信号无损通过,同时,所有高于截止频率,的信号都应该被无限的衰减,从而在幅频特性曲线上呈现,矩形,并因此而得名“矩形滤波器”,.,在现实中，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计,只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。,根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应。通常,会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。,到这里大家对模拟滤波器应该是有了一定的了解,.,下边简单,说一下数字滤波器,.,21,数字滤波器,数字滤波器,(digital filter),是指输入输出均为数字信号,通,过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者,滤除某些频率成分的器件,.,它工作在数字信号域,它处理的对,象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号,.,数字滤,波器一般由寄存器、延时器、加法器和乘法器等基本数字电,路实现,.,22,数字滤波器概述,数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应,特性的离散时间系统,.,数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模,拟滤波器不同,.,数字滤波器工作在数字信号域,它处理的对象是,经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号,.,数字滤波器的工作方式与模拟滤波器也完全不同：后者完,全依靠电阻、电容、晶体管等电子元件组成的物理网络实现滤,波功能；而前者是通过数字运算器件对输入的数字信号进行运,算和处理，从而实现设计要求的特性。,应用数字滤波器处理模拟信号时,须对输入模拟信号进行限,带、抽样和模数转换,.,数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型,.,它可,以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性,的,.,23,数字滤波器特性,(1),数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度,甚至能够实现后,者在理论上也无法达到的性能。,数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比,.,这主要是因为,数字滤波器是以数字器件执行运算,从而避免了模拟电路中,噪声（如电阻热噪声）的影响。,数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。组成模,拟滤波器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的,变化而漂移，而数字电路就没有这种问题。,24,数字滤波器特性,(2),由于奈奎斯特采样定理，数字滤波器的处理能力受到系,统采样频率的限制。如果输入信号的频率分量包含超过滤波,器,1/2,采样频率的分量时，数字滤波器因为数字系统的“混,叠”而不能正常工作。如果超出,1/2,采样频率的频率分量不,占主要地位，通常的解决办法是在模数转换电路之前放置一,个低通滤波器（即抗混叠滤波器）将超过的高频成分滤除。,否则就必须用模拟滤波器实现要求的功能。,25,谢谢！,26,