濾波器是一種選頻裝置,可以使信號中特定的頻率成分通過,而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用,可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。換句話說,凡是可以使信號中特定的頻率成分通過,而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統都稱之為濾波器。
濾波的概念
濾波是信號處理中的一個重要概念,濾波電路的作用是盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分,保留其直流成分,使輸出電壓紋波系數降低,波形變得比較平滑。
一般來說,濾波分為經典濾波和現代濾波。
經典濾波是根據傅里葉分析和變換提出的一個工程概念,根據高等數學理論,任何一個滿足一定條件的信號,都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。
換句話說,就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的,組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過,而阻止另一部分頻率成分通過的電路,叫做經典濾波器或濾波電路。
在經典濾波和現代濾波中,濾波器模型其實是一樣的(硬件方面的濾波器其實進展并不大),但現代濾波還加入了數字濾波的很多概念。
濾波電路的原理
當流過電感的電流變化時,電感線圈中產生的感應電動勢將阻止電流的變化。當通過電感線圈的電流增大時,電感線圈產生的自感電動勢與電流方向相反,阻止電流的增加,同時將一部分電能轉化成磁場能存儲于電感之中;當通過電感線圈的電流減小時,自感電動勢與電流方向相同,阻止電流的減小,同時釋放出存儲的能量,以補償電流的減小。
因此經電感濾波后,不但負載電流及電壓的脈動減小,波形變得平滑,而且整流二極管的導通角增大。
在電感線圈不變的情況下,負載電阻愈小,輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>ωL時才能獲得較好的濾波效果。L愈大,濾波效果愈好。
濾波器的作用
1、將有用的信號與噪聲分離,提高信號的抗干擾性及信噪比;
2、濾掉不感興趣的頻率成分,提高分析精度;
3、從復雜頻率成分中分離出單一的頻率分量。
理想濾波器與實際濾波器
理想濾波器
使通帶內信號的幅值和相位都不失真,阻喧內的頻率成分都衰減為零的濾波器,其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。
如理想低通濾波器的頻率響應函數為:
實際濾波器
理想濾波器是不存在的,在實際濾波器的幅頻特性圖中,通帶和阻帶之間應沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內的頻率成分不會被完全抑制,只會受到不同程度的衰減。
當然,希望過渡帶越窄越好,也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此,在設計實際濾波器時,總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。