滤波器基本知识

有源滤波器Active Filter(信号分离电路) 测量系统从传感器拾取的信号往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其它处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从面影响测量精度。

这些噪声一般随机性很强，很难从时域中直接分离，但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定规律分布于频率域中某一特定频带中。

滤波器（信号分离电路）：从频域中实现对噪声的抑制，提取所需要的信号，是各种测控系统中必不可少的组成部分。

对滤波器的要求：(1)滤波特性好；(2)级联特性好(输入，输出)；

(3)滤波频率便于改变

滤波器举例：

心电信号的滤波：主要受到50Hz的工频干扰，采用50Hz陷波(带阻)滤波器。

一.滤波器的基本知识

⒈按处理信号的形式分类：模拟:连续的模拟信号

(又分为：无源和有源)

数字：离散的数字信号。

⒉理想滤波器对不同频率的作用：

通带内，使信号受到很小的衰减而通过。阻带内，使信号受到很大的衰减而抑制，无过渡带。

⒊按频谱结构分为5种类型：

滤波器对信号不予衰减或以很小衰减让其通过的频段称为通带；对信号的衰减超过某一规定值的频段称为阻带；位于通带和阻带之间的频段称为过渡带。根据通带和阻带所处范围的不同，滤波器功能可分为以下几种：

低通(Low Pass Filter)

高通(High Pass Filter)

带通(Band Pass Filter)

带阻(Band Elimination Filter)

全通(All Pass Filter)（理想）各种频率信号都

能通过，但不同的频率信号的相位有不同的变化，

一种移相器。

图2-2 按频谱结构分类的各种滤波器的衰减（1-幅频）特性

几个定义：

(1)通带的边界频率：一般来讲指下降—3dB即对应的频率。

(2)阻带的边界频率：由设计时，指定。

(3)中心频率：对于带通或带阻而言，用f0或ω0表示。

(4)通带宽度：用Δf0或Δω0表示。

(5)品质因数：衡量带通或带阻滤波器的选频特性。定义为：

Q=f0/Δf0或ω0/Δω0，Q值越高，选频性能越好。

⒋按电路类型分类：

⑴LC无源滤波器:LC滤波器：由电感L及电容C两类集总元件组成谐振电路(串联，并联)。当频率在几十kHz到几百kHz范围内时，元件的品质因数Q一般为l00～300，最好的可达500～1000。对于带通滤波器，要求Q(=f0/Δf)＞20，否则滤波器的插入衰减将过大。所以这种电路特别适合于窄带滤波器。

LC滤波器具有不会产生内部燥声、不需电源、性能稳定和成本低等优点，但是不能集成化，在使用频段低的时候体积大、笨重，损耗也大。

优点：具有良好的频率选择性，且并信号能量损耗小，噪声低，灵敏度高，以前广泛用于通信及电子测量。

缺点：电感元件体积大，低频及超低频频带范围品质因数低（即频率选择性差），不便于集成，不方便级联。现在不多用了。

⑵RC无源滤波器：由于电感元件有很多不足，人们自然希望实现无感滤波。由R和C构成的无源网络，其频率选择性较差，一般只能做低性能滤波器，不方便级联。

⑶由特殊元件构成的无源滤波器:

机械滤波器

压电陶瓷滤波器(带通和带阻)----陶瓷振荡器(选频)

晶体滤波器----晶体振荡器(选频)

声表面波滤波器

其工作原理一般是通过电能与机械能、分子振动的互相转换，并与器件固有频率谐振实现频率选择。多用于频率选择性能很高的带通、带阻滤波器，其品质因数可达到数千到数万，并且稳定性也很高，具有许多其它种类滤波器无法实现的特性，其品种系列有限，调整不便，仅应用于某些特殊场合。

晶体滤波器和陶瓷滤波器：是以压电石英晶体或压电陶瓷作为基本谐振元件构成的滤波器。其中石英晶体谐振器的Q值可以达到10,000～150,000，能实现很窄的带通滤波器。

晶体滤波器具有极高的温度稳定性(温度系数约0.5～6×10-8／℃)，可用来实现的频率范围为10kHz～30MHz，若利用高次泛音，最高频率可延至150MHz。

陶瓷滤波器谐振体的Q值只有1,500左右，频率范因为0.05--2MHz，主要优点是体积小、成本低，缺点是随着时间的推移其特性将发生变化。收音机和电视机等家电中广泛使用。

机械滤波器：一般指的是以恒弹性合金为振子材料，输入和输出备有机电换能装置的滤波器，其应用频率范围约为30kHz～600kHz，Q值可达10,000左右。

声表面波滤波器：声表面波指的是在压电固体材料表面产生和传播的声波。由于声表面波在压电固体表面上传播速度约比电磁波的传播速度慢105倍，所以利用声表面波制成的器件要比电磁器件小105

倍。此外，声表面波器件具有可抽头、换接、分流、抽样、耦合和控制信号等特性，因而很易完成各种复杂的功能，扩大了应用范围。声表面被器件是以固体内原子的弹性位移所产生的应力波而进行工作的，所以稳定性好。

⑷RC有源滤波器：(RC+运放，需要供电)

RC无源滤波器特性不够理想的根本原因是电阻元件对信号功率的消耗。如在电路中引入具有能量放大作用的有源器件，如晶体管，运放等，补偿损失的能量，可使RC网络像LC网络一样获得良好的频率选择特性。

有源RC滤波器:这种滤波器由于构成的方法不同，质量上有较大的差异，通常适用于低频段，可以做到体积小、重量轻和便于集成。多级滤波器可以方便地进行级联。

在有源RC滤波器中，二阶滤波器是滤波器设计中的一个重要的基本环节。二阶滤波器的构成电路多众多样。滤波器的Q值和电路结构有关，一般可作到100，较好的可达1000。其应用频率l00Hz～200kHz范围内能满足中等极点Q值的要求。

必须指出，有源RC滤波器所能达到的频率范围受到运算放大器带宽的限制。

⑸开关电容(有源)滤波器：(开关电容+运放)

类似有源RC滤波器，便于集成。滤波器的阶数可以做的很高，有开关脉冲噪声，是一种很有前途的滤波器。