《模拟滤波电路》PPT课件.ppt
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1、第四章 模拟滤波电路,41 概述,在传感器获得的信号中,包含有许多与被测量无关的信号,这时可 用信号分离电路,抑制噪声,取出有用的信号。,42 模拟滤波器基本知识,一、滤波器的类型、特性及基本知识,按对信号频率函数的处理作用,有三种基本情况:,通 带:使信号不受或受很小的衰减。,阻 带:使信号受到很大衰减,尽可能阻止信号通过。,过渡带:使信号受到不同程度的衰减,一般过渡带是指通带和阻 带之间的一段频带。,根据以上三种频带在整个频带中所处区间的不同,滤波器可分为四种类型:,低通滤波器:它的频带由零延伸到某一规定的上限频率fc=c/2。,高通滤波器:在c的角频率范围内,滤波器有恒定的增益Kp,而在
2、c时,增益迅速下降为零。,带通滤波器:在12的角频率范围内获得增益,而在2的范围内,增益迅速下降为零。,带阻滤波器:当1和2时,有恒定的增益Kp,而在12范围内,增益迅速下降到零。,标志滤波器性能与质量的基本参数有:,谐振频率fo与转折频率fc,通带增益Kp,频带宽度f,品质因数Q值与阻尼系数,通带增益的变化量Kp与相对变化量Kp/Kp,滤波器参数对于元件参数变化的灵敏度S,x表示某个无源元件,y表示滤波器的某参数,则y对x变化的灵敏度定义为:,低通滤波器曲线,二、二阶有源滤波器与n阶有源滤波器之间的关系,无源滤波器:只用无源元件组成的滤波器。,有源滤波器:由无源元件和有源元件一起组成的滤波器
3、。,由运算放大器与无源元件组成的有源滤波器的优点,体积小,重量轻,损耗小,可提供一定的增益,得到广泛的应用。,有源滤波器是线性系统,传递函数可由下式表示,其中 为拉氏变量,系数 和是与滤波器网络中有源元件和无源有关的参数。,对于特定频率具有选频作用的网络称为滤波器。,三、有源滤波器的传递函数,根据线性化理论,任意个互相隔离的网络级联后,总的传递函数应是各个网络传递函数的乘积。,Hi(S)为二阶网络的传递函数的普遍形式。,如n为奇数,Hi(s)必然包含有一个一阶传递函数;若n为偶数,一个n阶的网络就可分解为n/2个二阶函数来实现。,Kp常数,Z为分子多项式方程的m 个根,称为零点;P为分母多项式
4、方程的根,称为极点;零点和极点的值,由a和b决定,亦即取决于滤波电路的结构参数。,任何一个高阶滤波器均可化为一、二阶滤波器的级联。二阶有源滤波器的传递函数的普遍形式如下。,动态稳定性要求a10,a20。a1和a2取不同值,可使滤波器有不同的性能。,令a1=0、a2=20,上式可变为:,其中为阻尼系数,0为固有频率。,分母多项式的根,为传递函数H(S)的极点,它的两个解为:,系数b0、b1、b2取不同值时,会得到不同类型的滤波器。,系数b0、b1、b2取不同值时,会得到不同类型的滤波器。,低通滤波器,b0=b1=0,b2=Kp 20,幅频特性为:,相频特性为:,取值不同,特性曲线不同。,低通滤波
5、器幅频特性曲线,低通滤波器相频特性曲线,群延迟:群延迟函数就是相频特性()对的导数。,它描述了相位移随频率的变化。,当相位随频率变化呈线性关系时,常数,说明各种频率信号经滤波器后只产生相同的延迟,而没有相位畸变。,高通滤波器,b0=Kp,b1=b2=0,传递函数为:,幅频特性为:,相频特性为:,稳态时,S=j,有H(0)=0,有H()=Kp,,带通滤波器,b0=b2=0,b1=Kp 0,传递函数为:,幅频特性为:,相频特性为:,当0时,有H(0)=0,当 时,有H()=0,带阻滤波器,b0=Kp、b1=0、b2=Kp 20,传递函数为:,传递函数的两个在虚轴上的共轭零点为j 0;零点分布使频率
6、特性在0处将为零,而在其它频率时,上升到Kp值。,频率特性表达式为:,相频特性为:,(当 0),(当 0),43 RC二阶有源滤波器的基本组成方法,两种最常用的由运算放大器组成的二阶有源滤波器:,有限电压源法,无限增益多路反馈法,一、有限电压源法,滤波器的电路结构如图。,由克希霍夫定律可得:,对于理想运放有:,由上式消去uo和u,得到:,在Y1Y5中,有两个是电容,其余是电阻,可组成二阶有源滤波器。,电路低通特性的必要条件Y1、Y4为电阻。为使分母为两阶形式,Y5 必须是电容。通常取Y2电容,Y3为零。,二阶有源低通滤波器的结构形式如图。,具有高通特性,Y1、Y4必须是电容元件,Y5必须是电阻
7、,并取Y2为电阻,Y30。,高通滤波器的结构形式如图。,具有带通特性,Y1、Y4中必须有一个是电容,另一个是电阻,以保 证H(s)中分子多项式为s的一次项。,典型的带通滤波器的结构形式如图。,压控电压源型电路结构的滤波器的特点:,使用元件少、对放大器要求不高、电路结构简单。,设计时需注意事项:,闭环增益Koc应小些;阻尼系数=1/Q0。,此种电路的缺点:,电路结构存在正反馈,从而Q值对元件变化的灵敏度较高。Q值越高,稳定性差。高Q值滤波器不易采用。,二、无限增益多路反馈方法,滤波器的电路结构如图。,输入和输出间的关系式为:,适当改变Y1Y5元件的性质,可得到不同性能的滤波器。,为获得低通特性,
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