了解電子濾波器的類型、設計和應用

電子濾波器是控制哪些頻率通過和哪些頻率被阻斷的電路，從而保持訊號清晰可靠。它們用於電力系統、音頻設備、通信鏈路和數據採集。本文詳細說明篩選器類型、術語、回應族、設計步驟和應用。

電子過濾器概述

電子濾波器是一種電路，用於控制信號的哪些部分被保留，哪些部分被減少。它的工作原理是讓有用的頻率通過，同時削弱不需要的頻率。在電力系統中，濾波器可以消除不需要的噪音並保持穩定的電力供應。在音訊中，它們調整音質和單獨的範圍，例如低音和高音。在通訊中，濾波器有助於訊號保持清晰準確。沒有它們，許多系統將無法平穩或可靠地運行。

電子過濾器的核心類型

低通濾波器 （LPF）

LPF 通過低於截止頻率的信號並衰減較高的信號。它可以平滑電源輸出，消除音訊中的雜訊，並防止數位電路中的混疊。一個簡單的 RC 濾波器就是一個常見的例子。

高通濾波器 （HPF）

HPF 通過高於截止點的頻率並阻止較低的頻率。它用於高音揚聲器的音頻、交流耦合以消除直流偏移以及樂器中以減少漂移。放大器輸入端的串聯電容器是一種基本形式。

帶通濾波器 （BPF）

BPF 只允許選定的頻段通過，而拒絕其他頻段。它對於無線電接收器、無線通訊和心電圖等醫療設備至關重要。FM 收音機中的 LC 調諧電路就是一個典型的例子。

帶阻/陷波濾波器 （BSF）

BSF 在通過上方和下方的頻率時衰減窄頻帶。它可以消除音訊中的嗡嗡聲，消除通訊中的干擾，並抑制樂器中的噪音。雙 T 型陷波濾波器是眾所周知的設計。

篩選術語詳細資訊

通帶

通帶是濾波器允許以最小衰減通過的頻率範圍。例如，在電話中，會保留 300 Hz 至 3.4 kHz 的語音頻段，因此語音保持清晰。寬而平坦的通帶可確保所需的訊號保持其原始強度和品質。

阻帶

阻帶是濾波器強烈衰減以阻止不需要的信號或噪聲的頻率範圍。該區域對於防止干擾、失真或混疊污染有用信號至關重要。阻帶衰減越深，濾波器在抑制不需要的頻率方面就越有效。

截止頻率 （fc）

截止頻率標記通帶和阻帶之間的邊界。在大多數濾波器設計中，例如巴特沃斯濾波器，它被定義為信號從通帶電平下降 -3 dB 的頻率。這一點可以作為設計和調整濾波器以滿足系統要求的參考。

過渡帶

過渡帶是濾波器輸出從通帶轉移到阻帶的斜率區域。較窄的過渡帶表示濾波器更清晰、更具選擇性，這在通訊系統中的通道分離等應用中是理想的。更銳利的過渡通常需要更複雜的濾波器設計或更高階的電路。

濾波器中的波特圖

幅度圖

幅度圖顯示濾波器的增益（以分貝為單位）與頻率的關係。例如，在低通濾波器中，響應在通帶中保持平穩，約為 0 dB，然後在截止頻率後開始滾降，表明較高頻率的衰減。這種滾降的陡度取決於濾波器的階數：高階濾波器在通帶和阻帶之間提供更尖銳的過渡。幅度圖可以輕鬆查看濾波器在保留所需範圍的同時阻擋不需要的頻率的程度。

相位圖

相位圖顯示濾波器如何改變不同頻率的信號相位。這是訊號延遲的量度。在低頻下，相移通常很小，但隨著頻率的增加，在截止附近，濾波器會引入更多的延遲。相位響應是音訊處理、通訊鏈路和控制系統等時間敏感系統的基礎，即使是很小的時序誤差也會影響效能。

過濾順序和滾降

無源濾波器基礎知識

遙控濾鏡

RC 濾波器是最簡單的無源設計，結合使用電阻器和電容器。最常見的形式是 RC 低通濾波器，它允許低頻通過，同時衰減高頻。其截止頻率由下式給出：

fc =

這些最適合平滑電源中的訊號、消除高頻雜訊，以及在音訊或感測器電路中提供基本的訊號調節。

RL 濾波器

RL 濾波器使用電阻器和電感器，使其更適合處理較大電流的電路。RL 低通濾波器可以平滑電力系統中的電流，而 RL 高通濾波器則在通過交流信號時有效阻斷直流電。由於電感器可以抵抗電流變化，因此通常選擇 RL 濾波器用於能量處理和效率很重要的應用。

RLC 濾波器

RLC 濾波器結合了電阻器、電感器和電容器，以產生更具選擇性的響應。根據元件的排列方式，RLC 網路可以形成帶通濾波器或陷波濾波器。這些是調諧頻率精度很重要的無線電接收器、振盪器和通信電路所必需的。

濾波器回應族的類型

巴特沃斯過濾器

巴特沃斯濾波器因其平滑平坦的通帶響應而受到重視，沒有紋波。它提供自然、無失真的輸出，使其非常適合音訊和過濾。與其他系列相比，它的缺點是滾降率適中，這意味著當需要急劇截止時，它的選擇性較低。

貝塞爾濾波器

貝塞爾濾波器專為時域精度而設計，提供近乎線性的相位響應和最小的波形失真。這使得它最適合數據通信或音頻等需要保留信號形狀的應用。它的頻率選擇性很差，因此無法有效地抑制附近不需要的信號。

切比雪夫過濾器

切比雪夫濾波器提供比巴特沃斯更快的滾降速度，允許用更少的組件實現更陡峭的過渡。它通過允許通帶中的受控紋波來實現這一點。雖然高效，但漣波會扭曲敏感訊號，使其不太適合精密音訊。

橢圓濾波器

橢圓濾波器以最少的元件數量提供最陡峭的過渡帶，使其在窄帶應用中極為高效。權衡是通帶和阻帶中的紋波，這會影響訊號保真度。儘管如此，橢圓形設計通常用於需要急截止的射頻和通信系統。

濾波器特性：f₀、BW 和 Q

• 中心頻率 （f₀）：這是濾波器通過或阻擋的頻段中間的頻率。它是通過將下截止頻率和上截止頻率相乘，然後取平方根來求出的。

• 頻寬 （BW）：這是上截止頻率和下截止頻率之間範圍的大小。較小的頻寬意味著濾波器只允許較窄的頻率範圍，而較大的頻寬意味著它覆蓋的頻率範圍更大。

• 品質係數 （Q）：這表示濾鏡的銳利度或選擇性。它是通過將中心頻率除以帶寬來計算的。較高的 Q 值意味著濾波器更緊密地聚焦在中心頻率周圍，而較低的 Q 值意味著它覆蓋的範圍更廣。

過濾器設計過程的步驟

• 定義要求，例如截止頻率、不需要的訊號所需的衰減量、通帶中可接受的漣波等級以及組延遲的限制。這些規範為設計奠定了基礎。

• 根據目標選擇濾波器類型：低通允許低頻，高通允許高頻，帶通允許範圍，或帶阻阻阻擋範圍。

• 選擇最適合應用程式的回應系列。巴特沃斯提供平坦的通帶，貝塞爾保持時間精度，切比雪夫提供更銳利的滾降，橢圓以緊湊的設計提供最陡峭的過渡。

• 計算濾波器的階數，這決定了它衰減不需要的頻率的陡峭程度。高階濾波器提供更強的選擇性，但需要更多的組件。

• 選取拓撲以實作設計。無源 RC 濾波器很簡單，有源運算放大器濾波器允許增益和緩衝，數字 FIR 或 IIR 濾波器廣泛用於現代處理。

• 在構建過濾器之前對其進行模擬和原型設計。模擬和波特圖有助於確認性能，而原型則驗證濾波器在實踐中是否滿足定義的要求。

濾波器在電子學中的應用

音訊電子

濾波器在均衡器、分頻器、合成器和耳機電路中塑造聲音。它們控制頻率平衡，提高清晰度，並確保消費類和專業音訊設備的訊號流暢流動。

電力系統

諧波濾波器和 EMI 抑制濾波器在馬達驅動器、UPS 系統和電源轉換器中至關重要。它們保護敏感設備、提高電能品質並減少電磁幹擾。

資料擷取

在類比數位轉換器 （ADC） 之前使用抗混疊濾波器，以防止訊號失真。在腦電圖和心電圖監測儀等生物醫學儀器中，濾波器透過消除不需要的雜訊來提取有意義的訊號。

通訊

帶通和帶阻濾波器是射頻系統的基礎。它們定義了 Wi-Fi、蜂窩網路和衛星通訊中的頻道，實現清晰的訊號傳輸，同時拒絕幹擾。

結論

濾波器是塑造訊號以實現清晰音訊、穩定功率、準確數據和可靠通訊的基礎。透過了解它們的類型、術語和設計方法，可以更輕鬆地選擇或創建保持系統精確有效的過濾器。

常見問題

第 1 季度。有源濾波器和無源濾波器有什麼區別？

有源濾波器使用運算放大器並可以放大信號，而無源濾波器僅使用電阻器、電容器和電感器，沒有增益。

第二季度。數字濾波器與模擬濾波器有何不同？

類比濾波器處理具有元件的連續訊號，而數位濾波器則使用 DSP 或軟體中的取樣訊號演算法。

第三季度。為什麼在通訊系統中使用高階濾波器？

它們提供更清晰的截止，可以更好地分離緊密間隔的通道並減少干擾。

第四季度。濾波器在感測器中的作用是什麼？

濾波器可去除不需要的雜訊，因此感測器可提供乾淨、準確的訊號。

第 5 季度。為什麼需要過濾器穩定性？

不穩定的濾波器可能會振盪或失真訊號，因此穩定性可確保可靠的效能。

第 6 問。過濾器可以調整嗎？

是。可調諧濾波器可調整其截止或中心頻率，用於無線電和自適應系統。