濾波器作為電子系統(tǒng)中十分常見(jiàn)的工具，在信號(hào)處理中占有重要地位。本文將對(duì)兩種典型的濾波器原理進(jìn)行分析，并借以理解其他各式濾波器。

 

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析，從而達(dá)到“去除雜波，選擇信號(hào)”的作用。

 

廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ?媒質(zhì))都可視為是一種濾波器。因?yàn)?，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。

 

濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器五類。本文將分析介紹低通濾波器和高通濾波器這兩種常用濾波器原理，以求觸類旁通，同時(shí)掌握所有五種濾波器。

 

【低通濾波器】

所謂低通濾波器(LPS：low pass filter)是允許低頻訊號(hào)通過(guò)，而不允許高頻訊號(hào)通過(guò)的濾波器。容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。以一階低通濾波器為例，其組成與響應(yīng)曲線如下： 截止頻率:f=1/(2*Pi*R*C) ，。

頻率低于fh時(shí)，增益為電壓增益;頻率高于fh時(shí)，增益的衰減斜率為每10倍頻率20dB。

 

由此即可濾除頻率高于fh的信號(hào)，只保留低于fh的部分。

 

為幫助更好地理解，舉一個(gè)例子：一個(gè)固體屏障就是一個(gè)聲波的低通濾波器。當(dāng)另外一個(gè)房間中播放音樂(lè)時(shí)，很容易聽(tīng)到音樂(lè)的低音，但是高音部分大部分被過(guò)濾掉了。類似的情況是，一輛小汽車中非常大的音樂(lè)聲在另外一個(gè)車中的人聽(tīng)來(lái)卻是低音節(jié)拍，因?yàn)檫@時(shí)封閉的汽車(和空氣間隔)起到了低通濾波器的作用，減弱了所有的高音。

 

對(duì)于高于fh的頻率，信號(hào)按該頻率平方的速率下降。在頻率fh處，阻尼值使輸出信號(hào)衰減。可以級(jí)聯(lián)多個(gè)這樣的濾波器部分來(lái)得到一個(gè)更高階的(更陡峭的轉(zhuǎn)降)濾波器。假定設(shè)計(jì)要求一個(gè)截止頻率為10kHz的四階貝塞爾(Bessel) 低通濾波器。根據(jù)參考文獻(xiàn)1，每部分的轉(zhuǎn)降頻率分別為16.13及18.19 kHz，阻尼值分別為1.775及0.821，并且這兩個(gè)濾波器分區(qū)的高通、帶通和低通系數(shù)分別為0、0與1。您可以使用這兩個(gè)帶有上述參數(shù)的濾波器部分來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的濾波器。截止頻率為輸出信號(hào)衰減3 dB的頻率點(diǎn)。

 

【高通濾波器】

高通濾波器允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量。是一種讓某一頻率以上的信號(hào)分量通過(guò)，而對(duì)該頻率以下的信號(hào)分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置.一階高通濾波器原理圖及幅頻特性曲線如下：

 

類比低通濾波器，我們不難得出：假設(shè)截止頻率為fh，則頻率高于fh時(shí)，增益為電壓增益;頻率低于fh時(shí)，增益的增長(zhǎng)斜率為每10倍頻率20dB。

 

換句話講，高通濾波器可濾除低于某一頻率的信號(hào)，只保留高于這一頻率的部分。

 

 

【帶通濾波器】

帶通濾波器是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對(duì)。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。

 

這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來(lái)產(chǎn)生。將上述兩種典型濾波器加以組合，過(guò)濾掉低于fl的部分和高于fh的部分，則剩下的就是頻率介于fl與fh之間的帶通部分。

 

【帶阻濾波器】

帶阻濾波器(簡(jiǎn)稱BSF)是指能通過(guò)大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器的概念相對(duì)。

 

類比上面帶通濾波器，不難看出，帶阻濾波器同樣可視為高通和低通濾波器的疊加——即濾除頻率低于fh的部分和高于fl的部分，只保留剩下的部分(右圖中的通帶部分)。

 

【全通濾波器】

全通濾波器是指在全頻帶范圍內(nèi)，信號(hào)的幅值不會(huì)改變，也就是全頻帶內(nèi)幅值增益恒等于1。很顯然，當(dāng)?shù)屯V波器與高通濾波器截止頻率相等時(shí)，即fl=fh時(shí)，在全頻域內(nèi)信號(hào)幅頻特性曲線均無(wú)下降，為一條平行于頻率軸的直線。此時(shí)為全通狀態(tài)。

 

【總結(jié)】綜上所述，在了解了高通濾波器和低通濾波器的原理之后，我們就可以很輕易地理解所有濾波器的相關(guān)性質(zhì)。只要牢記這兩種濾波器原理，其他濾波器也不在話下。

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