濾波器作為電子系統中十分常見的工具，在信號處理中占有重要地位。本文將對兩種典型的濾波器原理進行分析，并借以理解其他各式濾波器。

 

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，而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中，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，從而達到“去除雜波，選擇信號”的作用。

 

廣義地講，任何一種信息傳輸的通道(媒質)都可視為是一種濾波器。因為，任何裝置的響應特性都是激勵頻率的函數，都可用頻域函數描述其傳輸特性。因此，構成測試系統的任何一個環節，諸如機械系統、電氣網絡、儀器儀表甚至連接導線等等，都將在一定頻率范圍內，按其頻域特性，對所通過的信號進行變換與處理。

 

濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器五類。本文將分析介紹低通濾波器和高通濾波器這兩種常用濾波器原理，以求觸類旁通，同時掌握所有五種濾波器。

 

【低通濾波器】

所謂低通濾波器(LPS：low pass filter)是允許低頻訊號通過，而不允許高頻訊號通過的濾波器。容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。以一階低通濾波器為例，其組成與響應曲線如下： 截止頻率:f=1/(2*Pi*R*C) ，。

頻率低于fh時，增益為電壓增益;頻率高于fh時，增益的衰減斜率為每10倍頻率20dB。

 

由此即可濾除頻率高于fh的信號，只保留低于fh的部分。

 

為幫助更好地理解，舉一個例子：一個固體屏障就是一個聲波的低通濾波器。當另外一個房間中播放音樂時，很容易聽到音樂的低音，但是高音部分大部分被過濾掉了。類似的情況是，一輛小汽車中非常大的音樂聲在另外一個車中的人聽來卻是低音節拍，因為這時封閉的汽車(和空氣間隔)起到了低通濾波器的作用，減弱了所有的高音。

 

對于高于fh的頻率，信號按該頻率平方的速率下降。在頻率fh處，阻尼值使輸出信號衰減。可以級聯多個這樣的濾波器部分來得到一個更高階的(更陡峭的轉降)濾波器。假定設計要求一個截止頻率為10kHz的四階貝塞爾(Bessel) 低通濾波器。根據參考文獻1，每部分的轉降頻率分別為16.13及18.19 kHz，阻尼值分別為1.775及0.821，并且這兩個濾波器分區的高通、帶通和低通系數分別為0、0與1。您可以使用這兩個帶有上述參數的濾波器部分來實現所要求的濾波器。截止頻率為輸出信號衰減3 dB的頻率點。

 

【高通濾波器】

高通濾波器允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。是一種讓某一頻率以上的信號分量通過，而對該頻率以下的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置.一階高通濾波器原理圖及幅頻特性曲線如下：

 

類比低通濾波器，我們不難得出：假設截止頻率為fh，則頻率高于fh時，增益為電壓增益;頻率低于fh時，增益的增長斜率為每10倍頻率20dB。

 

換句話講，高通濾波器可濾除低于某一頻率的信號，只保留高于這一頻率的部分。

 

 

【帶通濾波器】

帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。

 

這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產生。將上述兩種典型濾波器加以組合，過濾掉低于fl的部分和高于fh的部分，則剩下的就是頻率介于fl與fh之間的帶通部分。

 

【帶阻濾波器】

帶阻濾波器(簡稱BSF)是指能通過大多數頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器的概念相對。

 

類比上面帶通濾波器，不難看出，帶阻濾波器同樣可視為高通和低通濾波器的疊加——即濾除頻率低于fh的部分和高于fl的部分，只保留剩下的部分(右圖中的通帶部分)。

 

【全通濾波器】

全通濾波器是指在全頻帶范圍內，信號的幅值不會改變，也就是全頻帶內幅值增益恒等于1。很顯然，當低通濾波器與高通濾波器截止頻率相等時，即fl=fh時，在全頻域內信號幅頻特性曲線均無下降，為一條平行于頻率軸的直線。此時為全通狀態。

 

【總結】綜上所述，在了解了高通濾波器和低通濾波器的原理之后，我們就可以很輕易地理解所有濾波器的相關性質。只要牢記這兩種濾波器原理，其他濾波器也不在話下。

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