基于陷波濾波器的設計及應用

目錄

　　陷波濾波器(也稱為帶阻濾波器或拒絕濾波器)被定義為拒絕或阻止特定頻率范圍內的頻率傳輸并允許該范圍之外的頻率傳輸的設備。陷波濾波器消除了窄頻帶的傳輸，并允許傳輸該頻帶之上和之下的所有頻率。由于它消除了頻率，因此它也被稱為帶阻濾波器。陷波濾波器本質上是具有窄阻帶和兩個通帶的帶阻濾波器，與帶通情況一樣，帶阻濾波器可以是寬帶也可以是窄帶。

圖1 陷波濾波器

　　如果濾波器是寬帶，則稱為帶阻濾波器，如果濾波器是窄帶，則稱為陷波濾波器。帶阻濾波器的特性正好與帶通濾波器相反。因此，陷波濾波器是帶通濾波器的補充。例如，如果陷波濾波器的阻帶頻率在100MHz到200MHz之間，那么它將所有信號從DC傳遞到100MHz和200MHz以上的頻率，它只會抑制100MHz到200MHz之間的頻率。因此，陷波濾波器的功能是將所有這些頻率從零(DC)傳遞到較低的截止頻率(fL)和高于較高的截止頻率(fH)，并拒絕所有位于帶寬區域，即BW=fH-fL。

　　在存在噪聲的情況下檢測和過濾窄帶信號是信號處理技術的重要應用。在許多應用中，需要在不改變頻帶能量的情況下去除窄帶信號。這可以通過使信號通過陷波濾波器來實現?；诖?，設計了多種類型的陷波濾波器電路，今天小編帶大家詳細了解陷波濾波器電路的主要類型。

　　1.陷波濾波器類型

　　1.1有源陷波濾波器

　　有源陷波濾波器是低通濾波器和高通濾波器的并聯組合，以運放為放大元件，如下圖所示。

圖2 有源陷波濾波器電路

　　有源陷波濾波器的電路圖分為三個部分。上部是與有源高通濾波器(HPF)并聯的有源低通濾波器(LPF)。電路的第三部分也是最后一部分是放大部分，其中運算放大器用于放大。最后的運算放大器級是一個加法放大器或一個用作加法器的運算放大器加法器。有源陷波濾波器的電路圖如下圖所示。

　　這里，低通濾波器的高頻截止是

　　而高通濾波器的低頻截止為

　　1.2無源陷波濾波器

　　無源濾波器僅由電阻、電感、電容等無源元件組成，不使用運算放大器等有源元件進行放大。因此，無源陷波濾波器中不存在放大部分。無源陷波濾波器是無源低通濾波器和無源高通濾波器的組合。無源陷波濾波器電路的上部是與無源高通濾波器并聯的無源低通濾波器。無源陷波濾波器的電路圖如下圖所示。

圖3 無源RC陷波濾波器電路

　　1.3光學陷波濾波器

　　陷波濾波器是一種光學濾波器，可選擇性地拒絕一部分光譜，同時傳輸所有其他波長。它可以針對不同的抑制水平進行設計，這通常是在光密度方面。

　　在光學系統中，特定波長的光被衍射光柵或色散棱鏡選擇性地重定向。在透射光柵和棱鏡的情況下，通過物體的多色光將被重定向到波長，然后可以通過光學陷波濾波器獲得所需的波長。

　　在這種情況下，當使用具有真實材料的光學器件時，光會在各種波長下衰減，并且會通過與光通過的介質的干擾進行過濾。光學陷波濾波器使未改變或衰減最小的光的波長通過。

　　光學陷波濾波器用于基于激光的拉曼光譜、基于激光的熒光以及其他生物醫學和生命科學應用。

　　1.4RLC陷波濾波器

　　顧名思義RLC，這種陷波濾波器或帶阻濾波器包含無源元件電阻器、電感器和電容器。因此，它也被稱為無源陷波濾波器。RLC陷波濾波器的電路圖如下圖所示。

圖4 RLC陷波濾波器電路

　　RLC陷波濾波器的并聯元件是L和C的串聯組合。輸出是通過電感器和電容器的串聯組合獲得的。RLC陷波濾波器的等效電路和特性如下圖所示。

圖5 RLC陷波濾波器等效電路

　　1.5射頻陷波濾波器

　　窄陷波濾波器是一種射頻陷波濾波器，可用于在功率放大器非線性測量期間抑制載波頻率。

　　一個LC電路的陷波濾波器用于拒絕一個特定的在射頻域中的干擾頻率。LC電路陷波濾波器電路與靠近發射器的無線電接收器一起使用，它會淹沒所有其他信號。陷波器用于拒絕來自發射器的信號。

　　FM廣播信號非常強，它可以防止SDR(軟件定義無線電)處理弱信號。FM陷波濾波器對于SDR應用非常有用。因此，FM信號首先通過陷波濾波器，然后提供給SDRUSB。

圖6 射頻陷波濾波器配置

　　1.6巴特沃斯陷波濾波器

　　甲巴特沃思陷波濾波器是一種特殊類型的設計為具有頻率響應盡可能平坦如在窄阻帶信號處理的過濾器。理想的陷波濾波器可以在不失真的情況下拒絕某些頻率范圍，并通過所有其他頻率。但在某些應用中，由于信噪比低，簡單的陷波濾波器并不準確和可靠。在這些情況下，Butterworth的陷波濾波器用于提高準確性和可靠性。

　　例如，在ECG(心電圖)中，通常干擾的噪聲有電力線干擾、儀器噪聲、外部磁場干擾、隨機身體運動引起的噪聲和呼吸運動。這些噪聲可以根據它們的頻率內容來表征。噪聲的帶寬與所需信號的帶寬重疊，因此普通濾波技術無法充分提高信噪比。因此，有必要降低心電信號中的這些噪聲，以提高準確性和可靠性。4個與3分貝階巴特沃斯陷波濾波器的阻帶被用來減少從ECG信號50赫茲電源線噪聲的干擾。

　　2.陷波濾波器的應用

　　陷波濾波器的一些應用包括：

　　(1)陷波濾波器通常用于通信系統、儀表和控制系統以及生物醫學領域，以消除50/60Hz電力線干擾。

　　(2)陷波濾波器或帶阻濾波器廣泛用于電子和通信電路，以抑制不需要的頻帶并允許以最小損耗傳輸其他頻率。

　　(3)交流和直流電機驅動器、轉換器和逆變器的開關類型會在線路頻率的某些諧波處引起正弦干擾。陷波濾波器的使用消除了這種不需要的干擾并實現了準確的測量。

　　(4)在圖像和信號處理中非常優選地拒絕不需要的頻率，即噪聲。

　　(5)它用于音頻信號處理，用于去除特定范圍的不需要的頻率，即噪聲或嗡嗡聲。

　　(6)它在電話技術、DSL和其他互聯網服務中用作線路降噪器，以減少不需要的干擾。請注意，DSL是用于通過電話線傳輸數字信息的數字用戶線。

　　(7)它用于吉他放大器、樂器放大器、原聲吉他、曼陀林、貝斯樂器放大器和PA系統，以減少樂器插入后可能產生的特定嗡嗡聲。請注意，PA(公共地址)系統是由麥克風、放大器、揚聲器和其他音樂設備組成的電子系統。

　　(8)它用于醫療領域應用，即ECG(心電圖)測量，以消除直流分量。

　　3.關于陷波濾波器的常見問題

　　3.1帶阻濾波器(陷波濾波器)的用途是什么?

　　帶阻濾波器的一個典型應用是在音頻信號處理中，用于去除特定范圍的不需要的聲音頻率，如噪聲或嗡嗡聲，同時不衰減其余部分。另一個應用是從通信系統中的一系列信號中拒絕特定信號。

　　3.2什么是帶通帶阻濾波器?

　　帶通濾波器允許給定頻帶內的頻率，拒絕低于它和高于它的頻率。阻帶濾波器則相反，拒絕帶內的頻率并讓帶外的頻率通過。

　　3.3阻帶中濾波器的增益會發生什么變化?

　　可以以圖形方式將增益和相位表示為頻率ω的函數，如典型濾波器的近似所示。在通帶區域中，增益函數在一定頻率范圍內具有幾乎恒定的增益。在阻帶區域，增益在一定頻率范圍內顯著降低。

　　3.4帶通濾波器和帶阻濾波器有什么區別?

　　帶通濾波器允許給定頻帶內的頻率，拒絕低于它和高于它的頻率。阻帶濾波器則相反，拒絕頻帶內的頻率并讓頻帶外的頻率通過。

　　3.5哪個濾波器有兩個阻帶?

　　帶通濾波器通常有兩個阻帶。帶通濾波器的形狀因子是3dB帶寬與阻帶限制之間的差異之間的關系。