2022年低通無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)-詳細(xì)

1、低通無(wú)源濾波器仿真與分析 一、濾波器定義 所謂濾波器（ filter ）,是一種用來(lái)排除干擾雜訊的器件,對(duì)輸入或輸出的信 號(hào)中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路,就是濾波器, 其功能就是得到一個(gè)特定頻率或排除一個(gè)特定頻率；時(shí)不變系統(tǒng)；二、濾波器的分類(lèi) 常用的濾波器按以下類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)；1 按所處理的信號(hào)：按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種；2 按所通過(guò)信號(hào)的頻段一般可實(shí)為一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的線性按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種；低通濾波器： 它答應(yīng)信號(hào)中的低頻或直流重量通過(guò),噪聲；抑制高頻重量或干擾和高通濾波器：它答應(yīng)信號(hào)中的高頻重量通過(guò),抑制低頻或直流重

2、量；帶通濾波器：它答應(yīng)肯定頻段的信號(hào)通過(guò),抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲；帶阻濾波器：它抑制肯定頻段內(nèi)的信號(hào),答應(yīng)該頻段以外的信號(hào)通過(guò)；3 按所采納的元器件 按所采納的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種；僅由無(wú)源元件 R、L 和 C組成的濾波器,它是利用電容和電 無(wú)源濾波器：感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的；這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是： 電路比 較簡(jiǎn)潔,不需要直流電源供電,牢靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗,負(fù)載效應(yīng)比較明顯,使用電感元件時(shí)簡(jiǎn)潔引起電磁感應(yīng),當(dāng)電感 L 較大時(shí)濾波 器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用；有源濾波器：由無(wú)源元件 一般用 R 和 C和有源器件 如集成運(yùn)

3、算放大器） 組 成；這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗,而且仍可以放大,負(fù)載效應(yīng)不明顯, 多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小, 利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)潔方法很簡(jiǎn)潔構(gòu)成高 階濾波器,并且濾波器的體積小、 重量輕、不需要磁屏蔽 由于不使用電感元件） ；缺點(diǎn)是：通帶范疇受有源器件如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制,需要直流電源供電,牢靠性不如無(wú)源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用；4 依據(jù)階數(shù)來(lái)分 通過(guò)傳遞函數(shù)的階數(shù)來(lái)確定濾波器的分類(lèi)；三、網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)在時(shí)域中,設(shè)輸入為xt,輸出為yt,濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為Yht；轉(zhuǎn)換到頻域,鼓勵(lì)信號(hào)為X j,經(jīng)過(guò)一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)得到的響應(yīng)信號(hào)為 j；就傳遞函數(shù)HjYjF

4、1Xjjw其中,傳遞函數(shù)的極點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的固有頻率；負(fù)的網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)固的；而一個(gè)傳遞函數(shù)全部極點(diǎn)的實(shí)部均為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)包蘊(yùn)了網(wǎng)絡(luò)的全部屬性；幅頻特性和相頻特性Yj|HAyejyHj|Hj|ejAxejxXj幅度增益A y|與構(gòu)成幅頻特性曲線；jA x相位變化yx與構(gòu)成相頻特性曲線；四、低通濾波器的一些概念1、單位分貝：是用對(duì)數(shù)的方式描述相對(duì)值,無(wú)量綱；B 貝爾（A/B ）貝爾 =lg（A/B ）=lgA-lgB dB 分貝（A/B ）分貝 =10 1g（A/B ）對(duì)于幅頻響應(yīng),A y| H j |A x| H j | dB 20 lg| H j |其中 3dB ：功率為 2倍（ 10*1g2=3

5、.01）,電壓或電流為 1.414倍；2、低通濾波器英文名稱： low-pass filter 簡(jiǎn)稱為 LPF；低通濾波器是讓某一頻率以下的信號(hào)重量通過(guò),而對(duì)該頻率以上的信號(hào)重量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置；抱負(fù)低通濾波器能夠讓直流始終到截止頻率為cf的全部信號(hào)都沒(méi)有任何缺失的通過(guò)；讓高于截止頻率 cf 的全部信號(hào)全部丟失 .3、描述濾波器性能的基本參數(shù)：1.截止頻率如濾波器在通頻帶內(nèi)的增益為K,就當(dāng)其增益下降到即下降了 3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率被稱為截止頻率；2.帶寬 B 對(duì)于低通或帶通濾波器,帶寬是指其通頻帶寬度,對(duì)于高通或帶阻濾波器,帶寬是指其阻帶寬度；帶寬打算著濾波器分別信號(hào)

6、中相鄰頻率成分的才能；3.品質(zhì)因數(shù) Q Q 定義為帶通或帶阻濾波器的中心頻率fc 與帶寬 B 之比,即品質(zhì)因數(shù) Q 的大小反映了濾波器頻率挑選才能的高低；4.倍頻程挑選性 是指在 f02 與 2f02 之間,或在 f01 與 f01/2 之間,幅頻特性的衰減值,即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)幅頻特性的衰減量,用 以外的頻率成分的衰減才能；4、低通濾波器的幅頻特性dB 表示,它反映了濾波器對(duì)通頻帶c被稱為截止頻率,是功率為最大值一半的點(diǎn),也是帶寬下降 3dB 的點(diǎn)；5、濾波器作用：下圖是對(duì)濾波器作用的說(shuō)明；由0.7KHz 和 17KHz的兩個(gè)正弦波所合成的信號(hào),經(jīng)過(guò)只答應(yīng)頻率低于1KHz 的信號(hào)通過(guò)的R

7、C 濾波器之后,輸出端只能檢測(cè)到0.7KHz 的正弦波信號(hào)；通過(guò) Multisim 對(duì)濾波器作用的仿真如下如下列圖, 紅色波形為輸入信號(hào)的波形,它是兩個(gè)信號(hào)的疊加； 經(jīng)過(guò)濾波后得到的藍(lán)色波形是低頻的波形, 由于電阻分壓的關(guān)系, 得到的信號(hào)波形不是非常抱負(fù),放大以后可以看到波形不是很光滑,是由于受到前端電阻的影響,得到的幅度也比輸入波形小許多,但卻是一個(gè) 映出了此濾波器的低通特性；五、低通濾波器設(shè)計(jì) 電容的阻抗以及頻率響應(yīng)特點(diǎn)0.7kHz 的正弦信號(hào)；因此通過(guò)模擬仍反Zjj1C 0,|Zjj| 低頻下相當(dāng)于斷路|0 高頻下相當(dāng)于短路 ,|Z電感的阻抗以及頻率相應(yīng)特點(diǎn)ZjjL 0,|Zjj|0 低

8、頻下相當(dāng)于短路 ,|Z| 高頻下相當(dāng)于斷路極點(diǎn)j1 ,當(dāng) RC0 時(shí)電路穩(wěn)固；RC5.1 一階 RC 低通濾波器頻率響應(yīng)|Hj|11RC 2；1=-3dB 幅頻特性：相頻特性：RarctanRC ；1jC1Hj/1jC 11jC| H|截止角頻率c時(shí),振幅RC2式中為 輸入信號(hào)的角頻率,令 =RC為回路的時(shí)間常數(shù),就有fC2c2121,Cf 為截止頻率；RC通過(guò) Multisim進(jìn)行模擬得到截止頻率為1K Hz的 RC濾波器幅頻和相頻特性曲線, =RC=0.1592ms,只需要 RC的乘積為此值既可；取 波器電路,進(jìn)行模擬；R=1K ,C=0.15 設(shè)計(jì)出濾得到的頻譜圖和相位圖如下列圖；可以看到在 -3dB 的截止點(diǎn), 頻率為 1kHz 所以滿意設(shè)計(jì)要求；在相位圖上可以看到該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度為 45 ；總結(jié)：適當(dāng)轉(zhuǎn)變電路中 R或 C的取值,可轉(zhuǎn)變截止頻率；設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí),應(yīng)使截止頻率大于有用信號(hào)的頻率；依據(jù)截止頻率,算出時(shí)間常數(shù) =RC的值,然后依據(jù)需要選取所需的電阻與電感既可；不過(guò) 和較高的負(fù)載阻抗下才比較好的成效；5.2 二階 RC 低通濾波器RC濾波器在較低的信號(hào)源阻抗采納 1 階無(wú)源 RC 濾