濾波器

　　電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。

　　濾波器主要作用

　　濾波器，顧名思義，是對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾的器件?！安ā笔且粋€(gè)非常廣　　泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時(shí)間起伏變化的過(guò)程。該過(guò)程通過(guò)各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，稱之為各種物理量的時(shí)間波形，或者稱之為信號(hào)。因?yàn)樽宰兞繒r(shí)間‘是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(hào)（Analog Signal）。隨著數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)（一般簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)）技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換成離散時(shí)間信號(hào)的完整的理論和方法。也就是說(shuō)，可以只用原模擬信號(hào)在一系列離散時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)上的樣本值表達(dá)原始信號(hào)而不丟失任何信息，波、波形、信號(hào)這些概念既然表達(dá)的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號(hào)的傳遞。信號(hào)在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，甚至是在相當(dāng)多的情況下，這種畸變還很嚴(yán)重，以致于信號(hào)及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了

　　1概述

　　低通濾波器LPF 是濾除噪聲用得最多的濾波器。由于白噪聲與頻帶的平方根成比例，因此可以用LPF 限制頻帶減小噪聲設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，需根據(jù)規(guī)格要求決定濾波器的頻率特性，然后求出滿足該特性的傳遞函數(shù)。我們參照濾波器設(shè)計(jì)的有關(guān)文獻(xiàn)，選擇已知傳遞函數(shù)的濾波器特性，按照現(xiàn)有濾波器設(shè)計(jì)的正規(guī)表進(jìn)行簡(jiǎn)單變換。使用電子電路仿真軟件進(jìn)行性能仿真驗(yàn)證。

　　2 設(shè)計(jì)步驟

　　2.1選擇頻率特性

　　以巴特沃茲特性為例，為了從輸入信號(hào)中取出所需要的頻率信號(hào)，同時(shí)阻止不需要的頻率信號(hào)（噪聲）通過(guò)，制作的濾波器需要滿足以下要求：

　　a.通過(guò)頻率的特性平坦而誤差小

　　b.衰減頻率的截止特性陡峭而衰減量大

　　C.信號(hào)波形的失真小

　　滿足以上全部要求，高次濾波器需要的元件較多

　　2.2 決定電路方式與常數(shù)

　　a.根據(jù)截止特性決定次數(shù)

　　根據(jù)轉(zhuǎn)移區(qū)域的截止特性決定次數(shù)。對(duì)于次LPP，在偏離截止頻率的頻率區(qū)域，其截止特性為一X6dB/ocL次數(shù)為最低限度需要的次數(shù)。

　　b.選擇電路方式

　　n 次數(shù)較低時(shí)Sallen-Key 濾波器價(jià)格最便宜。重視高次諧波失真時(shí)，選用多重反饋型濾波器。高頻噪聲較大時(shí)，選用奇次Sallen-Key 或多重反饋型濾波器。

　　e決定電路常數(shù)

　　頻率特性與RC 元件的精度有關(guān)，因此，需要選用精度盡量高的RC.常數(shù)設(shè)定時(shí)，要選用在常數(shù)范圍內(nèi)容易得到的RC 元件。尤其是電容，容易得到的容量值是有限的，因此有時(shí)也需要將多個(gè)元件組合使用。最壞情況下，先與分別選用的電容進(jìn)行組合，在決定電阻值。

　　2.3 通過(guò)仿真確定頻率特性

　　電路決定以后， 通過(guò)仿真大體上能夠完成濾波器的設(shè)計(jì)，使用仿真軟件分析頻率特性。使用仿真軟件時(shí)， 也要確認(rèn)常數(shù)離散性引起的特性誤差。有源濾波器電路需要使用高精度元件， 因此，與其它電路相比，可以模擬高精度元件，這樣可以得到正確的仿真結(jié)果。實(shí)際仿真時(shí)，根據(jù)分析條件設(shè)定元件的誤差， 從而確保可得到所期望的精度。

　　3 Sallen- Key LPF 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　3.1 階數(shù)的選取

　　設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為1k 帶外衰減為的有源濾波器，根據(jù)轉(zhuǎn)移區(qū)域的截止特性決定次數(shù)對(duì)于n次LPF，在偏離截止頻率的頻率區(qū)域，其截止特性為。我們選取有源濾波器的階數(shù)為6，則帶外衰減為，滿足要求。

　　3.2 決定常數(shù)

　　選擇使用的電路，決定常數(shù)。使用正規(guī)化表， 決定實(shí)際電路常數(shù)。首先，給定截止頻率 與適當(dāng)?shù)碾娙莼螂娮瑁?根據(jù)正規(guī)化表中值求出必要的常數(shù)。適當(dāng)?shù)?C 與 R 值是容易得到的，而又不影響運(yùn)算放大器工作的值。若求出的常數(shù)不適當(dāng)時(shí)，修改最初給定的值重新進(jìn)行計(jì)算。

　　根據(jù)表 1 中的常數(shù)值我們計(jì)算出每個(gè)濾波節(jié)的 Q 值分別為 1.931852;1.414214;0.517638。選擇每個(gè)濾波節(jié)的電容，計(jì)算出相應(yīng)的電阻值。一般容值較大的電容取接近于 。

　　也可以根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)軟件來(lái)直接設(shè)計(jì)出電路常數(shù)，經(jīng)過(guò)仿真，濾波器設(shè)計(jì)軟件得出的濾波器濾波效果與用正規(guī)化表設(shè)計(jì)出的濾波器濾波效果相當(dāng)。圖 1 是我們?cè)O(shè)計(jì)出的六階有源低通濾波器截止頻率為 1k，帶外衰減 。經(jīng)過(guò) multisim 電路仿真得出濾波器的頻率響應(yīng)特性如圖 2 所示。

　　通過(guò)仿真我們能看到在頻率1k 出電路衰減，在頻率2k出電路衰減，滿足要求。

　　3.3 擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍

　　為了擴(kuò)大 LPF 的動(dòng)態(tài)范圍，增益 - 頻率特性中具有較大峰值的高Q值部分盡可能接在后級(jí)。圖1中的濾波器就是這樣的結(jié)構(gòu)。

　　3.4 減小噪聲

　　動(dòng)態(tài)范圍有裕量，盡量減小噪聲時(shí)，高 Q 值部分盡量接在前級(jí)。其原因是由于有源 LPF 的正反饋量大，可實(shí)現(xiàn)高 Q 值，但正反饋量變大時(shí)噪聲也增大，因此，用接在后級(jí)的低 Q 值 LPF 對(duì)增大的噪聲進(jìn)行衰減。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)設(shè)計(jì)的六階有源低通濾波器， 給出了設(shè)計(jì)有源低通濾波器的基本設(shè)計(jì)方法， 步驟，并提出了擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍和減小噪聲的方法。經(jīng)過(guò)電路仿真我們?cè)O(shè)計(jì)的六階有源低通濾波器性能優(yōu)良