什么是濾波器

濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經過過濾而得到純凈的交流電。您可以通過基本的濾波器積木塊——二階通用濾波器傳遞函數，推導出最通用的濾波器類型：低通、帶通、高通、陷波和橢圓型濾波器。

傳遞函數的參數——f0、d、hHP、hBP 和hLP，可用來構造所有類型的濾波器。轉降頻率f0為s項開始占支配作用時的頻率。設計者將低于此值的頻率看作是低頻，而將高于此值的頻率看作是高頻，并將在此值附近的頻率看作是帶內頻率。阻尼d用于測量濾波器如何從低頻率轉變至高頻率，它是濾波器趨向振蕩的一個指標。實際阻尼值從0至2變化（表1）。高通系數hHP是對那些高于轉降頻率的頻率起支配作用的分子的系數。帶通系數hBP是對那些在轉降頻率附近的頻率起支配作用的分子的系數。低通系數hLP是對那些低于轉降頻率的頻率起支配作用的分子的系數。設計者只需這5個參數即可定義一個濾波器。

濾波器的過去、現在與未來
凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統中，濾波器應用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術最復雜要算濾波器了。濾波器的優劣直接決定產品的優劣，所以，對濾波器的研究和生產歷來為各國所重視。

濾波器的發展過程

1917年美國和德國科學家分別發明了LC濾波器，次年導致了美國第一個多路復用系統的出現。50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計算機技術、集成工藝和材料工業的發展，濾波器發展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩定可靠成為70年代以后的主攻方向，導致RC有源濾波器 、數字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發展。到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成被研制出來并得到應用。80年代致力于各類新型濾波器性能提高的研究并逐漸擴大應用范圍。90年代至今在主要致力于把各類濾波器應用于各類產品的開發和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。

我國廣泛使用濾波器是50年代后的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經過半個世紀的發展，我國濾波器在研制、生產應用等方面已有一定進步，但由于缺少專門研制機構，集成工藝和材料工業跟不上來，使許多新型濾波器的研制應用與國際水平有一段距離。

濾波器分類
按處理信號類型分類

濾波器可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數字、取樣模擬、混合三個分類。當然，每個分類又可繼續分下去，總之，它們的分類可以形成一個樹形結構。

濾波器-濾波器類型???
巴特沃斯響應（最平坦響應）

巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應非常平坦，接近DC信號，然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要。

貝塞爾響應

除了會改變依賴于頻率的輸入信號的幅度外，濾波器還會為其引入了一個延遲。延遲使得基于頻率的相移產生非正弦信號失真。就像巴特沃斯響應利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣，貝塞爾響應最小化了通帶的相位非線性。

切貝雪夫響應

在一些應用當中，最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。附錄A包含了設計多達8階的具巴特沃斯、貝塞爾和切貝雪夫響應濾波器所需參數的表格。其中兩個表格用于切貝雪夫響應∶一個用于0.1dB最大通帶紋波；另一個用于1dB最大通帶紋波。

濾波器-濾波器設計???
濾波器特性可以用其頻率響應來描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等。

　　用來說明濾波器性能的技術指標主要有：

　　中心頻率f0，即工作頻帶的中心

　　帶寬BW

　　通帶衰減，即通帶內的最大衰減

　　阻帶衰減

對于實際濾波器而言，考慮到實際的組成元件的品質因數的取值是一有限值（因為受限于材料與工藝的水平），所以所有工程上的實用濾波器都是有損濾波器，因此對于這些濾波器還應考慮通帶內的最小插入衰減。

現代濾波器設計，多是采用濾波器變換的方法加以實現。主要是通過對低通原型濾波器進行頻率變換與阻抗變換，來得到新的目標濾波器。　

濾波器-濾波器選取???

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集總低通原型濾波器是現代網絡綜合法設計濾波器的基礎，各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據此特性推導出來的。正因如此，才使得濾波器的設計得以簡化，精度得以提高。

理想的低通濾波器應該能使所有低于截止頻率的信號無損通過，而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減，從而在幅頻特性曲線上呈現矩形，故而也稱為矩形濾波器（brick-wallfilter）。遺憾的是，如此理想的特性是無法實現的，所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據所選的逼近函數的不同，可以得到不同的響應。雖然逼近函數函數多種多樣，但是考慮到實際電路的使用需求，我們通常會選用“巴特沃斯響應”或“切比雪夫響應”。

“巴特沃斯響應”帶通濾波器具有平坦的響應特性，而“切比雪夫響應”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性，需要根據電路或系統的具體要求而定。但是，“切比雪夫響應”濾波器對于元件的變化最不敏感，而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性（位于通帶的中部），所以在一般的應用中，推薦使用“切比雪夫響應”濾波器。?

濾波器-數字濾波器??

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與模擬濾波器相對應，在離散系統中廣泛應用數字濾波器。它的作用是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理。或者說，把輸入信號變成一定的輸出信號，從而達到改變信號頻譜的目的。數字濾波器一般可以用兩種方法來實現：一種方法是用數字硬件裝配成一臺專門的設備，這種設備稱為數字信號處理機；另一種方法就是直接利用通用計算機，將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成，即利用計算機軟件來實現。

濾波器-模擬濾波器?

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模擬濾波器在測試系統或專用儀器儀表中是一種常用的變換裝置。例如：帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置；低通濾波器用作數字信號分析系統中的抗頻混濾波；高通濾波器被用于聲發射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲；帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器，等等。
　
用于頻譜分析裝置中的帶通濾波器，可根據中心頻率與帶寬之問的數值關系，分為兩種：

? 一種是帶寬B不隨中心頻率人而變化，稱為恒帶寬帶通濾波器，其中心頻率處在任何頻段上時，帶寬都相同；
另一種是帶寬B與中心頻率人的比值是不變的，稱為恒帶寬比帶通濾波器，其中心頻率越高，帶寬也越寬。

濾波器-正文??? 能選擇、通過或抑制某頻率范圍信號的電路或器件。早在19世紀80年代，電阻、電容濾波電路就已經出現。具有頻率選擇功能的電感、電容諧振回路(圖1)可作為最簡單的濾波器。德國K.W.華格納和美國貝爾實驗室的G.A.坎貝爾，分別于1915年提出關于濾波器的論文，已被世界公認為濾波器的獨立發明者。1923年以后，貝爾實驗室的O.J.查貝爾提出定K型、m誘導型影像參數濾波器設計方法。1939年德國W.考爾和美國S.達靈頓分別提出工作參數濾波器設計理論。由于許多電路和系統都要區分不同頻率的信號，濾波器遂被廣泛地用在通信、廣播、雷達以及許多儀器和設備中。

濾波器的應用頻率范圍極寬，有適用于低到零點幾赫的濾波器，也有高到微波波段的濾波器。根據濾波頻率的中心頻率和其他要求的不同，濾波器中采用各種諧振元件，電感、電容是最常用的諧振元件。對于工作于1千赫～100兆赫、相對帶寬較窄且溫度和時間穩定性要求高的濾波器,常用壓電晶體作為諧振元件(見晶體濾波器)。還有用金屬棍、盤作為諧振元件的機械濾波器，和把晶體與機械濾波器原理合并而成聲表面波濾波器（圖2）。

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濾波器工作在內阻抗為Zs的電壓源與負載ZL之間(圖3)，U1、I1及U2、I2分別表示輸入端和輸出端的復數電壓和電流。濾波器的傳輸函數用下式表示： 　　　

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式中T(jω)的實數部分稱為衰減,虛數部分稱為相位。輸出功率|U2I2|等于輸入功率|U1I1|,衰減為零，表示該頻率范圍內的輸入信號能全部通過。衰減很小的頻帶稱為通帶。衰減大的頻帶稱為阻帶。通帶和阻帶交界處的頻率稱為截止頻率。低通濾波器的通帶由頻率為零起一直到截止頻率為止，其阻帶在截止頻率高的一側。高通濾波器的起始頻率決定于設計要求，其通帶在截止頻率高的一側。帶通濾波器是以兩個有限截止頻率之間的頻段為通帶。帶阻濾波器的通帶和阻帶正好與帶通濾波器的相反。還有一種梳齒濾波器，它有許多按一定頻率間隔相間排列的通帶和阻帶。
　　影像參數濾波器設計理論 　影像參數的含義基于內阻抗Zs等于11′端的輸入阻抗Z，負載阻抗ZL等于22′端的輸出阻抗Z（圖3），即猶如各側兩邊的影像。在低通濾波器的基本節內(圖4)若阻抗Z1·Z2=K2(K為常數),稱為定K型濾波器。定K型低通濾波器在頻率為無限大時,會出現無限大衰減。為使有限頻率處出現無限大衰減,可在Z1或1/Z2式中乘一常數m(0＜m＜1),使其成為m誘導形濾波器。m通常取0.5～0.6,以便使影像阻抗在通帶內近似于一個常數,允許用純電阻來代替電源阻抗和負載。若干個基本節按影像阻抗原則連接，可構成滿足一定衰減要求的復合式濾波器。變換元件可把低通濾波器變為高通、帶通或帶阻濾波器（圖5）。?

　　工作參數濾波器設計理論 　假定圖3中Zs和ZL都等于純電阻的濾波電路,設計中已成功應用逼近理論中使最大偏差極小的準則，以及保角變換和橢圓函數的一些結果。雖然計算比較復雜，但設計結果接近實際應用情況。自從電路的計算機輔助分析與設計得到實用以來,濾波電路設計者常把所得結果列成表,濾波器的元件值可直接查表得出，甚為方便。
　　電路理論的發展、新型元件的采用以及計算方法的改進，促進了濾波器自身的發展。微電子學的發展和計算機輔助設計的普及，將使濾波器更趨向小型化、集成化和數字化。