[资料] 模拟滤波电路

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高级工程师
发表于 2018-1-5 11:55:30   302 查看 0 回复 只看该作者 倒序浏览
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   经传感器转换和放大后的电信号,由于测量现场的电磁干扰,传感器本身以及放大电路等本身的影响,往往含有多种频率成分的噪声信号,严重情况下,这种噪声信号会淹没待提取的输入信号,造成系统无法获取被测信号。在这种情况下,须采取滤波措施,将不需要的杂散信号抑制掉,使系统的信噪比(S/N)增加,完成这种功能的电路称为滤波电路,或将具有这一功能的组件称为滤波器。
   滤波器的作用是选出有用的频率信号,抑制杂散的无用频率信号,使一定频率范围内的信号通过,衰减很少(使用有源滤波器还可使信号放大),而在此频率范围外的信号衰减很大,从而提高系统的信噪比。通常称可以通过的频率范围为通带,不能通过的频率范围为阻带,通带与阻带的界限频率为截止频率,其频率特性用Q来衡量,Q值越高,即灵敏度越高,频率选择性越好,通带越窄。
   1.滤波器的分类
   按滤波器是否使用有源器件(放大器)来分,可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。

   (1)无源滤波器。无源滤波器是指用无源器件如电感(L)、电容(C)和电阻(R)组成的滤波电路,如图5.18即为一最简单的RC 低通滤波器电路,其传递函数为

   它随输入信号频率的增高而幅值呈下降趋势。
   (2)有源滤波器。有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容等组成的滤波电路,在低频(小于1MHz)中使用。   
   无源滤波器常采用LC 谐振电路或RC 网络作为滤波器件。LC 滤波谐振电路,其能量形式是每半周中静电能量(1/2CU2)与磁场能量(1/2LI2)相互转换,作为虚功率积蓄存在,损失小,而价格昂贵,因而不适合在低频滤波电路中使用;RC 电路尽管可以做到体积小和廉价,但其上半周内电容C中积蓄的能量到下半周就会被电阻R 消耗掉一半,因此单纯的RC电路Q 值不会大于0.5,选择性差,效果同样不佳。
   有源滤波器则是利用有源器件不断补充由R造成的损耗,因而等效能耗极小,也就提高了电路的Q值,改善了选择性。并且,有源滤波器还具有无源滤波器无法做到的信号放大功能,其电路Q值的提高不受电感Q 值的限制,因为在有源滤波器电路中一般不使用电感,输入输出阻抗很容易匹配,这些都使有源滤波器具有优良的性能。有源滤波器的缺点是:由于采用有源器件,需使用电源,功耗较大;由于受有源器件有限带宽的限制,一般不能用于高频场合;受元件容差和漂移影响较大,相对来讲灵敏度较低。但总的来讲,有源滤波器在低频(小于1MHz)场合中使用,较无源滤波器具有更优的性能,因而目前在音频处理、工业控制等领域,有源滤波器已得到极为广泛的应用。
  2.有源滤波电路
  由于滤波器是频率选择电路,只允许通带内的频率通过,因而按通带来分,滤波器可分为低通、高通、带通、带阻和全通。
  (1)低通滤波器。低通滤波器的功能是:让直流到指定截止频率的低频分量顺利地通过,而使高频分量受到很大的衰减。理想的低通滤波器的幅频特性如图5.19(a)所示,其中ωc为截止频率,但这种幅频特性实际上是无法实现的。图5.19(b)为实际的一种低通滤波器的幅频特性,该低通滤波器的通带为  


   低通滤波器一般用截止频率ωc、阻带频率ωs、直流增益 H(0)、通带波纹和阻带衰减等参数来确定。因为根据不同的传递函数,低通滤波器通带内幅频特性、衰减率均不一样,所以在设计时,要根据不同要求选择不同类型的传递函数,如波特瓦兹型、切彼雪夫型等。
   由低通滤波器的幅频特性可知,其传递函数 H(jω)的零点在ω = ∞ 处,其一般形式为   
   (2)高通滤波器。高通滤波器的功能是:让高于指定频率ωc 的频率分量顺利通过,而使自直流到指定阻带频率ωs 的低频分量受到衰减。同样,与低通滤波器的情况相似,没有理想的幅频呈跃式的高通滤波器,图5.19(c)为某一实际的高通滤波器的幅频特性曲线。理论上来讲,高通滤波器在ω → ∞ 处也应是通带,但实际上由于寄生参数的影响以及有源器件带宽的限制,当频率增高到一定值,幅值也将下降。
   对于 H(s)零点位于ω =0处的高通滤波器,其一般形式为

  (3)带通滤波器。带通滤波器的功能是:让有限带宽(ωL ω ωH)内的频率分量顺利通过,而让此频率范围外的其他频率分量衰减。带通滤波器有2个阻带,一般并不要求上、下两个阻带衰减特性相同,即可以不对称,不过一般对称的带通滤波器较易设计,其输出特性如图5.20(a)所示
  带通滤波器的带宽定义为
BW =ωH -ωL
  式中 ωH ,ωL——— 带通滤波器的上、下截止频率。
  带通滤波器的中心频率ωn 定义为



(4)带阻滤波器。带阻滤波器的作用是:抑制某个频率范围内的频率分量,使其衰减,而让此频带外的频率分量顺利通过,幅频特性对称的带阻滤波器因而也被称做陷波器。
  二阶带阻滤波器函数可写为

      如果ωp <ωz,则为一低通陷波函数;ωp >ωz 时,为一高通陷波函数,将这两种陷波的滤波器组合,则可构成图5.20(b)所示的四阶带阻滤波器。

  (5)全通滤波器。这是一种对幅频特性全通而对相频特性产生影响的滤波器,其目的主要是对信号进行时样控制。
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