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什么是滤波器?滤波器的发展过程,滤波器的分类

来源:电工天下   编辑:小电工发布时间:2020-02-12 14:52:08

有关滤波器的知识,滤波器的过去、现在与未来,滤波器的发展过程,滤波器的主要种类,滤波器可以按处理信号类型分类,按选择物理量分类,按频率通带范围分类等。

什么是滤波器

滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的交流电。

可以通过基本的滤波器积木块——二阶通用滤波器传递函数,推导出最通用的滤波器类型:低通、带通、高通、陷波和椭圆型滤波器。

传递函数的参数——f0、d、hHP、hBP 和hLP,可用来构造所有类型的滤波器。转降频率f0为s项开始占支配作用时的频率。

设计者将低于此值的频率看作是低频,而将高于此值的频率看作是高频,并将在此值附近的频率看作是带内频率。

阻尼d用于测量滤波器如何从低频率转变至高频率,它是滤波器趋向振荡的一个指标。

实际阻尼值从0至2变化(表1)。高通系数hHP是对那些高于转降频率的频率起支配作用的分子的系数。

带通系数hBP是对那些在转降频率附近的频率起支配作用的分子的系数。

低通系数hLP是对那些低于转降频率的频率起支配作用的分子的系数。设计者只需这5个参数即可定义一个滤波器。

滤波器的发展历程

凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。【什么是滤波器?滤波器的发展过程,滤波器的分类】

在近代电信装备和各类控制系统中,滤波器应用极为广泛;在所有的电子部件中,使用最多,技术最复杂要算滤波器了。

滤波器的优劣直接决定产品的优劣,所以,对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。50年代无源滤波器日趋成熟。

自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展,滤波器发展上了一个新台阶,并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力,其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向,导致RC有源滤波器 、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70年代后期,上述几种滤波器的单片集成被研制出来并得到应用。

80年代致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩大应用范围。

90年代至今在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。

当然,对滤波器本身的研究仍在不断进行。

我国广泛使用滤波器是50年代后的事,当时主要用于话路滤波和报路滤波。

经过半个世纪的发展,我国滤波器在研制、生产应用等方面已有一定进步,但由于缺少专门研制机构,集成工艺和材料工业跟不上来,使许多新型滤波器的研制应用与国际水平有一段距离。

滤波器的分类

1、按处理信号类型分类

滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。

其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类;离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然,每个分类又可继续分下去,总之,它们的分类可以形成一个树形结构。

2、按选择物理量分类

滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如PCM制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等四类滤波器。

3、按频率通带范围分类

滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别,而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器,因为它有周期性的通带和阻带。

滤波器种类繁多,下面着重介绍近年来发展很快的几种滤波器。

有源滤波器

有源滤波器由下列一些有源元件组成:运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器(FDNR)、广义阻抗变换器(GIC)、负阻抗变换器(NIC)、正阻抗变换器(PIC)、负阻抗倒置器(NII)、正阻抗倒置器(PII)、四种受控源,另外,还有病态元件极子和零子。

1965年单片集成运算放大器问世后,为有源滤波器开辟了广阔的前景,到70年代初期,有源滤波器发展最为注目,1978年单片RC有源滤波器问世,为滤波器集成迈进了可喜的一步。

由于运放的增益和相移均为频率的函数,这就限制了RC有源滤波器的频率范围,一般工作频率为20KHz左右,经过补偿后,工作频率也限制在100KHz以内。

1974年产生了有源滤波器,使工作频率可达GB/4(GB为运放增益与带宽之积)。

由于R(电阻)的存在,给集成工艺造成困难,于是又出现了有源C(电容)滤波器:就是说,滤波器由C和运放组成。

这样容易集成,更重要是提高了滤波器的精度,因为有源C滤波器的性能只取决于电容之比,与电容绝对值无关。

但它有一个主要问题:由于各支路元件均为电容,所以运放没有直流反馈通道,使稳定性成为难题。

1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用连续的开关电阻(SR)去替代有源RC滤波器中的电阻R,就构成了SRC滤波器,它仍属于模拟滤波器。

但由于采用预置电路和复杂的相位时钟,这种滤波器发展前途不大。【什么是滤波器?滤波器的发展过程,滤波器的分类】

总之,以RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器,体积小,Q值可达1000,克服了RLC无源滤波器体积大、Q值小的缺点。

但它仍有许多课题有待进一步研究:理想运放与实际特性的偏差;由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进,单片集成有待进一步研究;应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索;元件的绝对值容差的存在,影响滤波器精度和性能等问题仍未解决;由于R存在,占芯片面积大、电阻误差大(20~30%)、线性度差等缺点,大规模集成仍然有困难。

开关电容滤波器(SCF)

80年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集成(LSI),使用最多的滤波器成为"拦路虎",RC有源滤波器不能实现LSI,无源滤波器和机械滤波器更不用说。人们只能另辟新径。

50年代有人提出SCF的概念,由于当时集成工艺不过关,并没有引起人们的重视,直到72年,美国一个叫Fried的科学家用开关和电容模拟电阻R,说SCF的性能只取决于电容之比,与电容绝对值无关,这样才引起人们的重视。

1979年一些发达国家单片SCF已成为商品(属于高度保密技术),现在SC技术已趋成熟。

SCF并用MOS工艺加以实现公认为80年代网络理论与集成工艺的一大突破。

当前MOS电容值一般为几PF~100PF之内,它具有(10~100) 10-6/V的电压系数与(10~100) 10-6/℃的温度系数,这两个系数几乎接近理想的境界。

SCF具有下列一些优点:可以大规模集成;精度高;功能多,几乎所有电子部件和功能均可以由SC技术来实现;比数字滤波器简单,因为不需要A/D,D/A转换;功能小,可以做到。

SCF的应用情况:以声频范围应用为主体,工作频率在100KHz之内;在信号处理方面的应用有:程控SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变换……。

总之,SCF在仪表测量、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域都有广泛的应用前景。

在我国,1978年,有的导师和在校研究生开始进行这项研究工作,真正引起人们重视是80年以后。

83年清华大学已制成单片SCF,成都工程学院与工厂联合,也研制成单片SCF。

现在关键是MOS工艺实现SCF及推广应用问题,由于用户还不了解它,SCF的应用还没有普及。

SCF还有许多课题有待研究:

1、由于运放和控制MOS开关的采样频率所限制,SCF只能在音频范围内应用。

近年虽然出现无运放的SC电路,但由于采样频率的限制,工作频率最高只在1MHZ之内。

2、非零的MOS开关的沟道电阻以及非理想的运放特性,均可使SCF造成误差。

3、开关电容本身的寄生电容将使SCF的频响发生畸变。(电工天下 www.dgjs123.com)

4、MOS开关与MOS运放的热噪声将使SCF的动态范围受到限制。

5、最终要以MOS工艺来实现的SCF,由于它是时变网络,想用分立元件精确模拟是不可能的,因此,设计完善的CAD技术是解决这一问题的唯一手段。

此外,在灵敏度分析、噪声分析等方面均有许多课题有待研究。

几种新型数字滤波器(DF)

大家对DF并不陌生,这里不作系统综述,但对一些新型DF做一些介绍:

1、自适应DF

最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统,都属于现代控制理论研究的课题。

自适应DF具有很强的自学习、自跟踪功能。

它在雷达和声纳的波束形成、缓变噪声干扰的抑制、噪声信号的处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获得了广泛的应用,促进了现代控制理论的发展。

自适应DF有如下一些简单算法:W-LMS算法;M-LMS算法;TDO算法;差值LMS算法和C-LMS算法。

2、复数DF

在输入信号为窄带信号处理系统中,常采用复数DF技术。

为了降低采样率而保存信号所包含的全部信息,可利用正交双路检波法,取出窄带信号的复包络,然后通过A/D变换,将复包络转化为复数序列进行处理,这个信号处理系统即为复数DF。它具有许多功能。

MTI雷达中抑制具有卜勒频移的杂波干扰;数字通信网与模拟通信网之间多路TDM/FDM信号变换复接等等。

3、多维DF

在图象处理、地震、石油勘探的数据处理中都用到多维DF(常用是二维DF),多维DF的设计,往往将一维DF优化设计直接推广到多维DF中去。

对于模糊和随机噪声干扰的二维图象的处理,多维DF也能发挥很好的作用。

此外,还有波DF,它便于实现大规模集成;便于无源和有源滤波网络的数字模拟。

对于DF有待研究的课题有:系数灵敏度;舍入噪声和极限环;多维逆归滤波器的稳定性;各种硬件和软件实现DF的研究等等。

其它新型滤波器

介绍几种已得到广泛应用的新型滤波器:

1、电控编程CCD横向滤波器(FPCCDTF)

电荷耦合器(CCD)固定加权的横向滤波器(TF)在信号处理中,其性能和造价均可与数字滤波器和各种信号处理部件媲美。

这种滤波器主要用于自适应滤波;P-N序列和Chirp波形的匹配滤波;通用化的频域滤波器以及作相关、褶积运算;语音信号和相位均衡;相阵系统的波束合成和电视信号的重影消除等。

2、晶体滤波器

它是适应单边带技术而发展起来的。在70年代,集成晶体滤波器的产生,使它发展产生一个飞跃,近十年来,对晶体滤波器致力于下面一些研究:实现最佳设计,除具有优良的选择外,还具有良好的时域响应;寻求新型材料;扩展工作频率;改造工艺,使其向集成化发展。

它广泛应用于多路复用系统中作为载波滤波器,在收发信中、单边带通信机中作为选频滤波器,在频谱分析仪和声纳装置中作为中频滤波器。

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