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电子滤波器

2018-08-21 09:55:03     所属分类:电路
包括高通和低通滤波器的电视信号分离器

电子滤波器英语:electronic filters)可执行信号处理功能的电子线路组件或设备,它专门用于去除信号中不想要的成分或者增强所需成分。

电子滤波器有音频滤波器(wave filter)与噪声滤波器noise filter)等应用设备,可以是:

  • 无源的或者有源的
  • 模拟的或者数字的,(大陆称为,模拟的或者数字的)
  • 离散时间(采样)的或者连续时间的
  • 线性的或者非线性的
  • 无限脉冲响应(IIR)或者有限脉冲响应(FIR)

不管它们的设计有什么不同,最常见的电子滤波器类型是线性滤波器。参见线性滤波器方面的文章中关于它们的设计和分析的详细内容。

目录

  • 1 历史
  • 2 按照滤波技术分类
    • 2.1 无源滤波器(被动式滤波)
      • 2.1.1 单极型
      • 2.1.2 多极型
    • 2.2 有源滤波器(有源式滤波)
    • 2.3 开关电容滤波器
    • 2.4 数字滤波器
    • 2.5 电源滤波器
    • 2.6 其它滤波器技术
      • 2.6.1 石英滤波器和压电技术
      • 2.6.2 表面声波滤波器
      • 2.6.3 石榴石滤波器
      • 2.6.4 原子滤波器
      • 2.6.5 匹配滤波
  • 3 根据传递函数分类
  • 4 总的分类
  • 5 特殊设计
  • 6 参见
  • 7 外部链接和参考文献

历史

早在19世纪80年代,电阻、电容滤波电路就已经出现。具有频率选择功能的电感、电容谐振电路可作为最简单的滤波器。

于1915年德国K.W.华格纳和美国贝尔实验室的G.A.坎贝尔,分别提出关于滤波器的论文,已被世界公认为滤波器的独立发明者。

1923年以后,贝尔实验室的O.J.查贝尔提出定K型、m诱导型视频参数滤波器设计方法。

1939年德国W.考尔和美国S.达灵顿分别提出工作参数滤波器设计理论。由于许多电路和系统都要区分不同频率的信号,滤波器遂被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和设备中。

许多复杂的多极LC滤波器也已经存在了好多年了,有许多这方面的书籍讲述这类滤波器的工作。

最古老的电子滤波器形式是使用电阻和电容或者电阻和电感构建的无源模拟线性滤波器,它们分别叫做RC和RL单极滤波器。

人们也开发了一些混合滤波器,典型的例子有将模拟放大器与机械共鸣器或者延时线组合在一起。如CCD延时线这样的设备也用作离散时间滤波器。由于数字信号处理的广泛应用,有源数字滤波器已经变得常见。

按照滤波技术分类

无源滤波器(被动式滤波)

单极型

以RC实现的低通滤波器

最简单的线性滤波器的电子实现是电阻、电感和电容的组合。这些滤波器有RC、RL、LC和RLC等多种形式。所有这些类型的滤波器总称为无源滤波器,这是因为它们都不需外部电源供电。

电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过,电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小,称为低通滤波器。如果信号通过电容、或者通过电感连接到地,那么滤波器对于高频信号的衰减要比低频信号小,称为高通滤波器。电阻自身没有频率选择的特性,但是加入到电感和电容一起决定电路的时间常数,因此也决定了相应的频率。

在大概超过100 MHz这样非常高的频率,有时电感由一个单环或者金属片组成,电容由相邻的金属片组成,它们称为stubs。

多极型

二阶滤波器用Q因数来衡量。如果一个滤波器通过或者阻止的频率带宽与中心频率相比非常狭窄那么就说这个滤波器有很高的Q因数。Q定义为中心频率/3dB带宽。

有源滤波器(有源式滤波)

有源滤波器使用无源和有源放大组件组成,运算放大器经常用于有源滤波器设计。有源滤波器能够不使用电感就实现高Q因子和谐振。但是,它们的频率上限受制于所用放大器的带宽。

开关电容滤波器

较有源式滤波以开关电容英语Switched capacitor电路代替电阻。

数字滤波器

数字信号处理可以用于廉价地构建不同类型的滤波器。信号经过采样、模数转换转变成数字流,经常使用运行在中央处理器或者特殊的数字信号处理器的计算机程序而不是硬件算法来计算输出的数字流,它的输出然后通过数模转换转变成信号。在转换过程中可能会产生噪声,但是对于许多有用的滤波器来说它们可以控制和限制的。由于涉及到采样,所以输入信号必须限定在一定的频率,否则就会产生混叠。

电源滤波器

电源滤波器是指装设于交流电源侧的噪声滤波器(Noise Filter),用来消除干扰噪声的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的交流电,可将内部噪声控制于内部中,防止噪声借由电缆线传导到其他电器中。。

其它滤波器技术

石英滤波器和压电技术

在二十世纪三十年代晚期,工程师发现如石英这样的坚硬材料制成的小型机械系统将会在从可听见的声音频率到几百兆赫兹的无线电频率发生声学谐振。

一些早期的谐振器是用钢制成的,但是很快石英就流行起来。石英的最大优点是它是压电式的,这就意味着石英振荡器可以直接将它们自身的运动转化成电子信号。另外石英随温度变化的系数很小,这就是说石英振荡器能够在很大的温度变化范围内保持稳定的频率。

石英晶体滤波器的质量因数远远高于LCR滤波器。当需要更高的稳定性时,晶体和驱动电路能够放到一个“晶体箱”中控制温度变化。对于极窄带宽的滤波器,有时需要串行使用几个晶体。

工程师发现可以在石英晶体上蒸发金属成梳状从而可以将多个晶体叠加成一个组件,在这种机制下,“抽头(tapped)延时线”在声波滑过石英晶体表面时能够增强所要频率。抽头延时线已经成为多种实现高Q滤波器方法的一个通用机制。

表面声波滤波器

表面声波滤波器是经常用于无线电频率应用的机电设备,电子信号在压电晶体中转化为机械波;这个波在通过晶体传播时发生延时;后面的电极将它转换成电信号。延时的输出信号组合在一起成为有限脉冲响应滤波器的一个直接的模拟实现。这种混合滤波技术也见于模拟采样滤波器中。

石榴石滤波器

另外一种实现从800MHz到5GHz微波频率滤波的方法是使用一个钇和铁化合作用制造的单晶钇铁石榴石球(YIGF或者钇铁石榴石滤波器)。石榴石位于晶体管驱动的金属带上,一个小型的环形天线连到球体顶端。电磁场将会改变石榴石允许通过的频率。这种方法的一个优点是能够通过改变磁场强度在很宽的范围内调整频率。

原子滤波器

对于更高频率和更高精度要求,需要使用原子震动。原子钟使用铯激励器作为超高Q滤波器稳定主振荡器。另外一个用于带有微弱无线电信号的高固定频率场合的方法是使用红宝石激励器tapped延时线。

匹配滤波

匹配滤波(matched filtering),是滤波方法最好的一种。当输入信号具有某一特殊波形时,其输出达到最大。在形式上,一个匹配滤波器由以按时间反序排列的输入信号构成。且滤波器的幅度特性与信号的幅度谱一致。因此,对信号的匹配滤波相当于对信号进行互相关运算。雷达成像时,通过匹配滤波输出脉冲带宽就是其应用实例。

根据传递函数分类

总的分类

  • 低通滤波器
  • 高通滤波器
  • 带通滤波器
  • 带阻滤波器
  • 全通滤波器
  • 噪声滤波器

特殊设计

  • 切比雪夫滤波器
  • 高斯滤波器英语Gaussian filter
  • 椭圆函数滤波器

参见

  • 模拟滤波器
  • 数字滤波器
  • 无源滤波器
  • 有源滤波器
  • 线性滤波器
  • 非线性滤波器
  • 电压控制滤波器
  • 谐振
  • Q因数
  • 音频滤波器
  • 音调控制电路
  • ADSL宽带滤波器

外部链接和参考文献

  • Zverev, Anatol, I. Handbook of Filter Synthesis. John Wiley & Sons. 1969. ISBN 978-0-471-98680-5.  Catalog of passive filter types and component values. The Bible for practical electronic filter design.
  • Williams, Arthur B & Taylor, Fred J. Electronic Filter Design Handbook. McGraw-Hill. 1995. ISBN 978-0-07-070441-1. 
  • National Semiconductor AN-779 application note describing analog filter theory
  • Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics - Detailed explanation of all types of filters

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