濾波器

　　電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。

　　濾波器主要作用

　　濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件?！安ā笔且粋€非常廣　　泛的物理概念，在電子技術領域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函數，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續取值的，所以稱之為連續時間信號，又習慣地稱之為模擬信號（Analog Signal）。隨著數字式電子計算機（一般簡稱計算機）技術的產生和飛速發展，為了便于計算機對信號進行處理，產生了在抽樣定理指導下將連續時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產生、轉換、傳輸的每一個環節都可能由于環境和干擾的存在而畸變，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了

　　1概述

　　低通濾波器LPF 是濾除噪聲用得最多的濾波器。由于白噪聲與頻帶的平方根成比例，因此可以用LPF 限制頻帶減小噪聲設計濾波器時，需根據規格要求決定濾波器的頻率特性，然后求出滿足該特性的傳遞函數。我們參照濾波器設計的有關文獻，選擇已知傳遞函數的濾波器特性，按照現有濾波器設計的正規表進行簡單變換。使用電子電路仿真軟件進行性能仿真驗證。

　　2 設計步驟

　　2.1選擇頻率特性

　　以巴特沃茲特性為例，為了從輸入信號中取出所需要的頻率信號，同時阻止不需要的頻率信號（噪聲）通過，制作的濾波器需要滿足以下要求：

　　a.通過頻率的特性平坦而誤差小

　　b.衰減頻率的截止特性陡峭而衰減量大

　　C.信號波形的失真小

　　滿足以上全部要求，高次濾波器需要的元件較多

　　2.2 決定電路方式與常數

　　a.根據截止特性決定次數

　　根據轉移區域的截止特性決定次數。對于次LPP，在偏離截止頻率的頻率區域，其截止特性為一X6dB/ocL次數為最低限度需要的次數。

　　b.選擇電路方式

　　n 次數較低時Sallen-Key 濾波器價格最便宜。重視高次諧波失真時，選用多重反饋型濾波器。高頻噪聲較大時，選用奇次Sallen-Key 或多重反饋型濾波器。

　　e決定電路常數

　　頻率特性與RC 元件的精度有關，因此，需要選用精度盡量高的RC.常數設定時，要選用在常數范圍內容易得到的RC 元件。尤其是電容，容易得到的容量值是有限的，因此有時也需要將多個元件組合使用。最壞情況下，先與分別選用的電容進行組合，在決定電阻值。

　　2.3 通過仿真確定頻率特性

　　電路決定以后， 通過仿真大體上能夠完成濾波器的設計，使用仿真軟件分析頻率特性。使用仿真軟件時， 也要確認常數離散性引起的特性誤差。有源濾波器電路需要使用高精度元件， 因此，與其它電路相比，可以模擬高精度元件，這樣可以得到正確的仿真結果。實際仿真時，根據分析條件設定元件的誤差， 從而確保可得到所期望的精度。

　　3 Sallen- Key LPF 設計實例

　　3.1 階數的選取

　　設計一個截止頻率為1k 帶外衰減為的有源濾波器，根據轉移區域的截止特性決定次數對于n次LPF，在偏離截止頻率的頻率區域，其截止特性為。我們選取有源濾波器的階數為6，則帶外衰減為，滿足要求。

　　3.2 決定常數

　　選擇使用的電路，決定常數。使用正規化表， 決定實際電路常數。首先，給定截止頻率 與適當的電容或電阻， 根據正規化表中值求出必要的常數。適當的 C 與 R 值是容易得到的，而又不影響運算放大器工作的值。若求出的常數不適當時，修改最初給定的值重新進行計算。

　　根據表 1 中的常數值我們計算出每個濾波節的 Q 值分別為 1.931852;1.414214;0.517638。選擇每個濾波節的電容，計算出相應的電阻值。一般容值較大的電容取接近于 。

　　也可以根據濾波器設計軟件來直接設計出電路常數，經過仿真，濾波器設計軟件得出的濾波器濾波效果與用正規化表設計出的濾波器濾波效果相當。圖 1 是我們設計出的六階有源低通濾波器截止頻率為 1k，帶外衰減 。經過 multisim 電路仿真得出濾波器的頻率響應特性如圖 2 所示。

　　通過仿真我們能看到在頻率1k 出電路衰減，在頻率2k出電路衰減，滿足要求。

　　3.3 擴大動態范圍

　　為了擴大 LPF 的動態范圍，增益 - 頻率特性中具有較大峰值的高Q值部分盡可能接在后級。圖1中的濾波器就是這樣的結構。

　　3.4 減小噪聲

　　動態范圍有裕量，盡量減小噪聲時，高 Q 值部分盡量接在前級。其原因是由于有源 LPF 的正反饋量大，可實現高 Q 值，但正反饋量變大時噪聲也增大，因此，用接在后級的低 Q 值 LPF 對增大的噪聲進行衰減。

　　4 結論

　　通過設計的六階有源低通濾波器， 給出了設計有源低通濾波器的基本設計方法， 步驟，并提出了擴大動態范圍和減小噪聲的方法。經過電路仿真我們設計的六階有源低通濾波器性能優良