基于陷波濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用介紹

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(nèi)的頻率傳輸并允許該范圍之外的頻率傳輸?shù)脑O(shè)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(zhì)上是具有窄阻帶和兩個(gè)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(bǔ)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(hào)從DC傳遞到100MHz和200MHz以上的頻率，它只會(huì)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(qū)域，即BW=fH-fL。

在存在噪聲的情況下檢測(cè)和過濾窄帶信號(hào)是信號(hào)處理技術(shù)的重要應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，需要在不改變頻帶能量的情況下去除窄帶信號(hào)。這可以通過使信號(hào)通過陷波濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于此，設(shè)計(jì)了多種類型的陷波濾波器電路，今天小編帶大家詳細(xì)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(lián)組合，以運(yùn)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(gè)部分。上部是與有源高通濾波器(HPF)并聯(lián)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(yùn)算放大器用于放大。最后的運(yùn)算放大器級(jí)是一個(gè)加法放大器或一個(gè)用作加法器的運(yùn)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(wú)源陷波濾波器

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

圖3無(wú)源RC陷波濾波器電路

1.3光學(xué)陷波濾波器

陷波濾波器是一種光學(xué)濾波器，可選擇性地拒絕一部分光譜，同時(shí)傳輸所有其他波長(zhǎng)。它可以針對(duì)不同的抑制水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，這通常是在光密度方面。

在光學(xué)系統(tǒng)中，特定波長(zhǎng)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(zhǎng)，然后可以通過光學(xué)陷波濾波器獲得所需的波長(zhǎng)。

在這種情況下，當(dāng)使用具有真實(shí)材料的光學(xué)器件時(shí)，光會(huì)在各種波長(zhǎng)下衰減，并且會(huì)通過與光通過的介質(zhì)的干擾進(jìn)行過濾。光學(xué)陷波濾波器使未改變或衰減最小的光的波長(zhǎng)通過。

光學(xué)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(yī)學(xué)和生命科學(xué)應(yīng)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(wú)源元件電阻器、電感器和電容器。因此，它也被稱為無(wú)源陷波濾波器。RLC陷波濾波器的電路圖如下圖所示。

圖4RLC陷波濾波器電路

RLC陷波濾波器的并聯(lián)元件是L和C的串聯(lián)組合。輸出是通過電感器和電容器的串聯(lián)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5RLC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(cè)量期間抑制載波頻率。

一個(gè)LC電路的陷波濾波器用于拒絕一個(gè)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(fā)射器的無(wú)線電接收器一起使用，它會(huì)淹沒所有其他信號(hào)。陷波器用于拒絕來(lái)自發(fā)射器的信號(hào)。

FM廣播信號(hào)非常強(qiáng)，它可以防止SDR(軟件定義無(wú)線電)處理弱信號(hào)。FM陷波濾波器對(duì)于SDR應(yīng)用非常有用。因此，F(xiàn)M信號(hào)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(shè)計(jì)為具有頻率響應(yīng)盡可能平坦如在窄阻帶信號(hào)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(yīng)用中，由于信噪比低，簡(jiǎn)單的陷波濾波器并不準(zhǔn)確和可靠。在這些情況下，Butterworth的陷波濾波器用于提高準(zhǔn)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(chǎng)干擾、隨機(jī)身體運(yùn)動(dòng)引起的噪聲和呼吸運(yùn)動(dòng)。這些噪聲可以根據(jù)它們的頻率內(nèi)容來(lái)表征。噪聲的帶寬與所需信號(hào)的帶寬重疊，因此普通濾波技術(shù)無(wú)法充分提高信噪比。因此，有必要降低心電信號(hào)中的這些噪聲，以提高準(zhǔn)確性和可靠性。4個(gè)與3分貝階巴特沃斯陷波濾波器的阻帶被用來(lái)減少?gòu)腅CG信號(hào)50赫茲電源線噪聲的干擾。

2.陷波濾波器的應(yīng)用

陷波濾波器的一些應(yīng)用包括：

(1)陷波濾波器通常用于通信系統(tǒng)、儀表和控制系統(tǒng)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)換器和逆變器的開關(guān)類型會(huì)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(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的測(cè)量。

(4)在圖像和信號(hào)處理中非常優(yōu)選地拒絕不需要的頻率，即噪聲。

(5)它用于音頻信號(hào)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(shù)、DSL和其他互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中用作線路降噪器，以減少不需要的干擾。請(qǐng)注意，DSL是用于通過電話線傳輸數(shù)字信息的數(shù)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(tǒng)，以減少樂器插入后可能產(chǎn)生的特定嗡嗡聲。請(qǐng)注意，PA(公共地址)系統(tǒng)是由麥克風(fēng)、放大器、揚(yáng)聲器和其他音樂設(shè)備組成的電子系統(tǒng)。

(8)它用于醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用，即ECG(心電圖)測(cè)量，以消除直流分量。

3.關(guān)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(gè)典型應(yīng)用是在音頻信號(hào)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(shí)不衰減其余部分。另一個(gè)應(yīng)用是從通信系統(tǒng)中的一系列信號(hào)中拒絕特定信號(hào)。

3.2什么是帶通帶阻濾波器?

帶通濾波器允許給定頻帶內(nèi)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(nèi)的頻率并讓帶外的頻率通過。

3.3阻帶中濾波器的增益會(huì)發(fā)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(shù)，如典型濾波器的近似所示。在通帶區(qū)域中，增益函數(shù)在一定頻率范圍內(nèi)具有幾乎恒定的增益。在阻帶區(qū)域，增益在一定頻率范圍內(nèi)顯著降低。

3.4帶通濾波器和帶阻濾波器有什么區(qū)別?

帶通濾波器允許給定頻帶內(nèi)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(nèi)的頻率并讓頻帶外的頻率通過。

3.5哪個(gè)濾波器有兩個(gè)阻帶?

帶通濾波器通常有兩個(gè)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(guān)系。

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