濾波器,顧名思義,是對波進行過濾的器件。“波”是一個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間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用,被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù),稱之為各種物理量的時間波形,或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續(xù)取值的,所以稱之為連續(xù)時間信號,又習(xí)慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。
隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展,為了便于計算機對信號進行處理,產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說,可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標(biāo)點上的樣本值表達(dá)原始信號而不丟失任何信息,波、波形、信號這些概念既然表達(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,靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€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,以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了
中心頻率(Center Frequency):濾波器通帶的頻率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。
截止頻率(Cutoff Frequency):指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標(biāo)準(zhǔn)定義。相對損耗的參考基準(zhǔn)為:低通以DC處插損為基準(zhǔn),高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準(zhǔn)。
通帶帶寬(BWxdB):指需要通過的頻譜寬度,BWxdB=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn),下降X(dB)處對應(yīng)的左、右邊頻點。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征濾波器通帶帶寬參數(shù)。分?jǐn)?shù)帶寬(fractional bandwidth)=BW3dB/f0×100[%],也常用來表征濾波器通帶帶寬。
插入損耗(Insertion Loss):由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗,以中心或截止頻率處損耗表征,如要求全帶內(nèi)插損需強調(diào)。
紋波(Ripple):指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內(nèi),插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動的峰-峰值。
帶內(nèi)波動(Passband Riplpe):通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動是1dB。
帶內(nèi)駐波比(VSWR):衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜?biāo)。理想匹配VSWR=1:1,失配時VSWR>1。對于一個實際的濾波器而言,滿足VSWR<1.5:1的帶寬一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關(guān)。
回波損耗(Return Loss):端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數(shù),也等于|20Log10ρ|,ρ為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。
阻帶抑制度:衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法:一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB,計算方法為fs處衰減量As-IL;另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)——矩形系數(shù)(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可為40dB、30dB、20dB等)。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1,制作難度當(dāng)然也就越大。
與模擬濾波器相對應(yīng),在離散系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用數(shù)字濾波器。它的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理。或者說,把輸入信號變成一定的輸出信號,從而達(dá)到改變信號頻譜的目的。數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法來實現(xiàn):一種方法是用數(shù)字硬件裝配成一臺專門的設(shè)備,這種設(shè)備稱為數(shù)字信號處理機;另一種方法就是直接利用通用計算機,將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成,即利用計算機軟件來實現(xiàn)。
低通濾波器是指車載功放中能夠讓低頻信號通過而不讓中、高頻信號通過的電路,其作用是濾去音頻信號中的中音和高音成分,增強低音成分以驅(qū)動揚聲器的低音單元。由于車載功放大部分都是全頻段功放,通常采用AB類放大設(shè)計,功率損耗比較大,所以濾除低頻段的信號,只推動中高頻揚聲器是節(jié)省功率、保證音質(zhì)的最佳選擇。此外高通濾波器常常和低通濾波器成對出現(xiàn),不論哪一種,都是為了把一定的聲音頻率送到應(yīng)該去的單元。
低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過,但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。對于不同濾波器而言,每個頻率的信號的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時,它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。
低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)所起的作用;低通濾波器有很多種,其中,最通用的就是巴特沃斯濾波器。
一個理想的濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶,例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減,并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉,另外,通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實際上,并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉,尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象,并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常,濾波器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好,這樣濾波器的性能就與設(shè)計更加接近。然而,隨著滾降范圍越來越小,通帶就變得不再平坦—開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯,這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。
除了電子學(xué)和信號處理領(lǐng)域之外,帶通濾波器應(yīng)用的一個例子是在大氣科學(xué)領(lǐng)域,很常見的例子是使用帶通濾波器過濾3到10天時間范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù),這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了作為擾動的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率,這里濾波器的增益最大,濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。
許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器,以選出各個不同頻段的信號,在顯示上利用發(fā)光二極管點亮的多少來指示出信號幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率 ,在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1,品質(zhì)因數(shù) ,3dB帶寬B=1/(п*R3*C)也可根據(jù)設(shè)計確定的Q、fo、Ao值,去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R1=Q/(2пfoAoC),R2=Q/((2Q2-Ao)*2пfoC),R3=2Q/(2пfoC)。上式中,當(dāng)fo=1KHz時,C取0.01Uf。此電路亦可用于一般的選頻放大。 有源帶通濾波器電路,此電路亦可使用單電源
模擬濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)S脙x器儀表中是一種常用的變換裝置。例如:帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置;低通濾波器用作數(shù)字信號分析系統(tǒng)中的抗頻混濾波;高通濾波器被用于聲發(fā)射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲;帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器,等等。
另一種是帶寬B與中心頻率人的比值是不變的,稱為恒帶寬比帶通濾波器,其中心頻率越高,帶寬也越寬。
聲表面波是指聲波在彈性體表面的傳播,這個波被稱為彈性聲表面波。聲表面波的傳播速度比電磁波的速度約小10萬倍。聲表面波濾波器是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料,利用其壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件,廣泛應(yīng)用于電視機及錄像機中頻電路中,以取代LC中頻濾波器,使圖像、聲音的質(zhì)量大大提高。
SAW 聲表濾波器、聲表諧振器,是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播、且其振幅隨深入基片本材料的深度增加而迅速減少的的彈性波。聲表面波(SAW)是傳播于壓電晶體表面的機械波,其聲速僅為電磁波速的十萬分之一,傳播衰耗很小。
SAW 聲表器件是在壓電基片上采用微電子工藝技術(shù)制作叉指形電聲換能器和反射器耦合器等,利用基片材料的壓電效應(yīng),通過輸入叉指換能器(IDT)將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號,并局限在基片表面?zhèn)鞑?,輸出IDT將聲信號恢復(fù)成電信號,實現(xiàn)電-聲-電的變換過程,完成電信號處理過程,獲得各種用途的電子器件。采用了先進微電子加工技術(shù)制造的聲表面波器件,具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、多功能以及設(shè)計靈活等優(yōu)點。
介質(zhì)濾波器利用介質(zhì)陶瓷材料的低損耗、高介電常數(shù)、頻率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、可承受高功率等特點設(shè)計制作的,由數(shù)個長型諧振器縱向多級串聯(lián)或并聯(lián)的梯形線路構(gòu)成。其特點是插入損耗小、耐功率性好、帶寬窄,特別適合CT1,CT2,900MHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz,便攜電話、汽車電話、無線耳機、無線麥克風(fēng)、無線電臺、無繩電話以及一體化收發(fā)雙工器等的級向耦合濾波。
板上濾波器雖然對高頻的濾波效果不理想,但是如果應(yīng)用得當(dāng),可以滿足大部分民用產(chǎn)品電磁兼容的要求。在使用時要注意以下事項:
“干凈地”:如果決定使用板上濾波器,在布線時就要注意在電纜端口處留出一塊“干凈地”,濾波器和連接器都安裝在“干凈地”上。通過前面的討論,可知信號地線上的干擾是十分嚴(yán)重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上,會造成嚴(yán)重的共模輻射問題。為了取得較好的濾波效果,必須準(zhǔn)備一塊干凈地。并與信號地只能在一點連接起來,這個流通點稱為“橋”,所有信號線都從橋上通過,以減小信號環(huán)路面積。
并排設(shè)置:同一組電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線的未濾波部分在—起,已濾波部分在一起。否則,一根導(dǎo)線的耒濾波部分會將另一根導(dǎo)線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效。
靠近電纜:濾波器與面板之間的導(dǎo)線的距離應(yīng)盡量短。必要時,使用金屬板遮擋一下,隔離近場干擾。
與機箱接:安裝濾波器的干諍地要與金屬機箱可靠地搭接起來,如果機箱不是金屬的,就在線路板下方設(shè)置一塊較大的金屬板來作為濾波地。干凈地與金屬機箱之間的搭接要保證很低的射頻阻抗。如有必要,可以使用電磁密封襯墊搭接,增加搭接面積,減小射頻阻抗。
接地線短:考慮到引腳的電感效應(yīng),其重要性前面已討淪,濾波器的局部布線和設(shè)計線路板與機箱(金屬板)的連接結(jié)構(gòu)時要特別注意