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低通无源滤波器设计-详细要点

作者:浙江体彩网 发布时间:2020-11-09 09:33 点击:

  低通无源滤波器设计-详细要点_电力/水利_工程科技_专业资料。低通无源滤波器仿真与分析 一、滤波器定义 所谓滤波器(filter) ,是一种用来消除干扰杂讯的器件,对输入或输出的信 号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其 功能就是

  低通无源滤波器仿真与分析 一、滤波器定义 所谓滤波器(filter) ,是一种用来消除干扰杂讯的器件,对输入或输出的信 号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其 功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。 一般可实为一个可实现的线性 时不变系统。 二、滤波器的分类 常用的滤波器按以下类型进行分类。 1) 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。 2) 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。 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 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。 4) 按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 三、网络的频率响应 在时域中,设输入为 x (t ) ,输出为 y (t ) ,滤波器的脉冲响应函数为 h (t ) 。转换到 频域,激励信号为 X ( j? ) ,经过一个线性网络得到的响应信号为 Y ( j? ) 。 则传递函数 H ( j? ) ? Y ( j? ) 1 ? X ( j? ) F ( jw) 其中, 传递函数的极点是网络的固有频率。而一个传递函数所有极点的实部均为 负的网络是稳定的。 一个网络的传递函数蕴含了网络的全部属性。 幅频特性和相频特性 Ay e y Y ( j? ) ? ? H ( j? ) ? H ( j? ) e j? (? ) j? x X ( j? ) Ax e Ay 幅度增益 j? Ax ? H ( j? ) 与ω 构成幅频特性曲线。 相位变化 ? y ? ?x ? ? (?) 与ω 构成相频特性曲线。 四、低通滤波器的一些概念 1、单位 分贝:是用对数的方式描述相对值,无量纲。 B 贝尔 dB 分贝 (A/B)(贝尔)=lg(A/B)=lg(A)-lg(B) (A/B)(分贝)=10 1g(A/B) 对于幅频响应, Ay Ax ? H ( j? ) H ( j?) (dB) ? 20lg( H ( j?) ) 其中3dB :功率为2倍(10*1g2=3.01) ,电压或电流为1.414倍。 2、低通滤波器英文名称:low-pass filter 简称为 LPF。 低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过, 而对该频率以上的信号分量大大 抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。 理想低通滤波器能够让直流一直到截止频率为 f c 的所有信号都没有任何损失的 通过。让高于截止频率 f c 的所有信号全部丧失. 3、描述滤波器性能的基本参数: 1.截止频率 若滤波器在通频带内的增益为 K,则当其增益下降到 时所对应的频率被称为截止频率。 2.带宽 B 对于低通或带通滤波器,带宽是指其通频带宽度,对于高通或带阻滤波器, (即下降了 3dB) 带宽是指其阻带宽度。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。 3.品质因数 Q Q 定义为带通或带阻滤波器的中心频率 fc 与带宽 B 之比,即 品质因数 Q 的大小反映了滤波器频率选择能力的高低。 4.倍频程选择性 是指在 f02 与 2f02 之间,或在 f01 与 f01/2 之间,幅频特性的衰减值,即频 率变化一个倍频程时幅频特性的衰减量,用 dB 表示,它反映了滤波器对通频带 以外的频率成分的衰减能力。 4、低通滤波器的幅频特性 ?c 被称为截止频率,是功率为最大值一半的点,也是带宽下降 3dB 的点。 5、滤波器作用: 下图是对滤波器作用的说明。由 0.7KHz 和 17KHz 的两个正弦波所合成的信号, 经过只允许频率低于 1KHz 的信号通过的 RC 滤波器之后,输出端只能检测到 0.7KHz 的正弦波信号。 通过 Multisim 对滤波器作用的仿真如下 如图所示,红色波形为输入信号的波形,它是两个信号的叠加。经过滤波后 得到的蓝色波形是低频的波形, 因为电阻分压的关系,得到的信号波形不是十分 理想,放大以后可以看到波形不是很光滑,是因为受到前端电阻的影响,得到的 幅度也比输入波形小很多,但却是一个 0.7kHz 的正弦信号。因此通过模拟仍反 映出了此滤波器的低通特性。 五、低通滤波器设计 电容的阻抗以及频率响应特征 Z ( j? ) ? 1 j?C ω →0, Z ( j? ) →∞ 低频下相当于断路 ω →∞, Z ( j? ) →0 高频下相当于短路 电感的阻抗以及频率相应特征 Z ( j? ) ? j?L ω →0, Z ( j? ) →0 低频下相当于短路 ω →∞, Z ( j? ) →∞ 高频下相当于断路 极点

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