一文详解滤波器

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滤波器作为信号处理中不可或缺的重要组成部分，被广泛应用于通信、音频处理、图像处理等领域。它能够去除噪声、调整信号频率，从而提高信号质量和可靠性。本文将深入探讨滤波器的原理、应用和性能评估，帮助读者全面了解滤波器的工作原理和优势。

总的来说，音频系统旨在：

·       接收音频信号，通常通过麦克风

·       将音频录制到存储设备中，例如计算机文件

·       通过有线或无线通信通道传输音频

·       通过扬声器再现音频信号

音频电路执行信号处理，本质上是将声波转换为电信号，电信号可以通过放大、滤波或混合进一步改变。这些信号也可以被存储和再现。

音响系统

音频滤波器是该系统的一部分，用作具有不同频率响应的放大器或无源电路。与麦克风和扬声器非常相似，这些滤波器是音频系统基本构建块的重要组成部分。它们可以放大或衰减来自音频输入的一系列频率。

然而，这些滤波器不同于简单的音频放大器或输入源，后者不具有频率相关功能。无论其频率如何，它都会增强完整的输入音频信号。但是，音频滤波器是一种工作在 0 Hz 到 20 kHz 以上范围内的频率相关放大器。通过专门放大或衰减音频信号中的频率范围，可以增强音频输入音调。

音频分频器和均衡器是音频滤波器的类型。音频分频器是一种电子滤波器，用于将输入的音频信号分成不同的频率范围，然后发送到不同的驱动器（如高音、中音和低音扬声器）。音频均衡器是一种电子滤波器，用于根据频率相关函数放大音频信号。均衡器的输出对于不同的频率具有不同的放大电平。

分频器和均衡器在音频设备中起着重要作用。接下来，我们将讨论可用过滤器的类型及其功能。

滤波器的类型
音频滤波器是设计用于放大或衰减一定范围的频率分量的电子电路。它们用作独特类型的放大器或具有频率相关输出的无源电路。从本质上讲，它们有助于消除音频信号中任何不需要的噪音，改善输出音调。

这些滤波器在电信和音频电子产品中发挥着重要作用，可以根据其设计、频率响应或两者进行分类。

设计
根据其设计分类的音频滤波器是无源滤波器或有源滤波器。需要电源才能工作的电子设备是有源元件，不需要电源的是无源元件。

有源滤波器 – 需要电源并使用有源元件设计，例如晶体管或运算放大器 (op-amp)。晶体管或运算放大器需要直流电源来进行偏置。通过使用有源元件，无需使用电感来构建滤波器，从而减小了电路的尺寸和成本，提高了滤波器的效率。

无源滤波器 –无需电源即可运行，这些滤波器使用无源元件设计，例如电阻器、电容器或电感器。电容器和电感的阻抗与频率有关，因此可以使用电阻-电容器、电阻-电感或电阻-电容器-电感组合来设计滤波器。

频率响应
音频滤波器也可以根据其频率响应进行分类，频率响应是指滤波器放大或允许通过的频率范围（通带）。通带是滤波器频率曲线中电路电压或功率最大的区域。

根据频带的不同，有几种类型的滤波器，包括高通、低通、带通、带阻、陷波、全通和均衡。

让我们回顾一下每个……

高通滤波器 (HPF) –通过频率高于截止频率的信号并阻止所有低于截止频率的信号。截止频率是当信号的电压或幅度下降到通带电压的 0.707 或 3 dB 时。此时，电路的功率输出开始下降。

高通滤波器的典型频率曲线

从该图中可以看出，低频信号在截止频率处并未完全衰减。但是那些突破高通滤波器的频率增益很小。从技术上讲，截止点有一个“滚降频率”。

低通滤波器——通过频率低于截止频率的信号并阻止高于截止频率的信号。

低通滤波器的频率响应

从该图中可以看出，高频信号在截止频率处并未完全衰减。那些突破低通滤波器的频率几乎没有增益。

带通滤波器—— 只通过特定截止范围内的频率，拒绝范围外的频率。它有两个截止频率：下截止频率和上截止频率。该滤波器的中心频率和带宽决定了截止频率的下限和上限。

带阻滤波器的频率响应

带阻滤波器——通过除特定范围之外的所有频率。这意味着它会传递低于其较低截止频率和高于较高截止频率的所有信号频率，但不会传递较低和较高截止频率之间的频率。较高和较低的截止频率是滤波器电路增益理想情况下为零（实际上最小）的中心频率的偏差。

陷波滤波器——带极窄阻带的带阻滤波器。因此，这些过滤器提供了高质量的因素。

全通滤波器——通过所有增益相等的频率，但修改它们之间的相位关系。频率范围的输出也显示它们之间的相位差。

全通滤波器的相移频率响应

均衡器滤波器——永远不会完全衰减或通过特定范围的频率，而是根据频率相关函数放大频率。

设计 + 频率响应
滤波器也可以根据其设计和频率响应进行分类。这包括无源或有源高通、无源或有源低通、无源或有源带通以及无源或有源带阻滤波器。

无源高通滤波器 -阻止较低频率的信号，同时允许较高频率的信号。这种类型的滤波器通常用于将音频信号的高频元素引导至高音扬声器，并且通常使用电阻 - 电容 (RC) 网络设计 - 一种由电阻器和电容器组成的电路。

无源高通没有带宽限制，可以通过选择电阻和电容的值来设计。作为无源滤波器，它不需要直流偏置电源，因此元件很少。它提供高电流输出，但无法放大音频信号。

虽然电感器可以用作滤波器设计的一部分，但它们既昂贵又笨重。

对于这个 RC 网络，截止频率与电阻器和电容器的关系如下：

fh = 1/ (2πRC)

通过设置电阻器和电容器的值以及首选截止频率，可以设计高通滤波器。在上述电路中，截止频率约为 160 Hz。高通滤波器将通过所有高于 160 Hz 的频率并衰减低于它的频率。

有源高通滤波器 ——可以使用晶体管或运算放大器来设计。电路图中的滤波器在 RC 网络的输出端使用运算放大器，使其成为有源滤波器。运算放大器是一种可以放大微弱电信号的集成电路。它有两个高阻抗输入。因此，虽然 RC 网络会阻止任何低频元素，但运算放大器会放大允许的频率范围。

在这种情况下，RC 网络连接到运算放大器的非反相输入引脚，因此其输出不会反相。当它连接到运算放大器的反相引脚时，输出音频信号与输入音频信号相差 180 度。

有源高通滤波器具有高非单位增益，这意味着输出音频信号无噪声且放大效果好。它也没有加载效果。运算放大器具有高输入和低输出阻抗，因此在源端加载也不是问题。但是，由于运算放大器的存在，滤波器的电路会有带宽限制。

通常，这些过滤器小巧紧凑。然而，有源滤波器设计涉及更多组件，需要直流电源作为其偏置，并且需要外部电源才能运行。

无源低通滤波器 ——输入信号通过一个电阻器（而不是像高通滤波器那样的电容器）。电容器连接在电阻器和地之间。

然而，无源低通滤波器可以有不同的设计，使用：

·       用于一阶滤波器的 RC 或电阻 - 电感 (RL) 网络

·       用于二阶滤波器的电阻-电感-电容 (RLC) 网络

·       将多个一阶滤波器组合成一个系列以获得高阶、更精确的音频信号

因此，例如，一阶滤波器具有一个电容器或一个电感器，这会影响滤波器的频率响应。而二阶滤波器有两个 RC 滤波器部分——例如两个电容器或两个电感器——这会影响其频率响应。

该等式提供了该滤波器的截止频率：

fl = 1/ (2πRC)

无源低通滤波器允许所有低于截止频率的频率通过，但衰减高于截止频率的频率。这些滤波器没有带宽限制，无需电源即可运行。它们通常用于将音频信号的低频元素驱动到低音扬声器。

有源低通滤波器——在使用低通 RC、RL、RLC 或多阶无源滤波器之前，在其输出端使用运算放大器或晶体管放大器。运算放大器在将声音传送到功率放大器或扬声器之前放大低频元素。

通过运算放大器提供的增益是该滤波器的主要优势——此外，它还可以减少任何高频噪声或失真。但它有带宽限制，需要一个直流电源来偏置放大器或晶体管电路。

无源带通滤波器 ——结合低通和高通滤波器设计，通常使用 RLC 网络设计。

在该电路中，高通滤波器与低通滤波器串联。

笔记：

·       高通滤波器的截止频率是带通滤波器的较低截止频率

·       低通滤波器的截止频率是带通滤波器的较高截止频率

·       因此，仅允许这两个截止频率之间的频率在滤波器的输出端通过

这些滤波器通常用于将特定范围的频率引导至中档驱动器。由于其结构中有多个组件，因此这些过滤器又大又重。

有源带通滤波器——在其输出之前和无源带通电路之后连接一个运算放大器或晶体管放大器。运算放大器放大了允许的频带，其带宽必须与带通滤波器的带宽相匹配。

无源带阻滤波器——衰减一系列频率，允许低于和高于其两个截止频率的频率通过。一阶无源带阻滤波器通常使用 RLC 网络设计，其中输入信号首先通过电阻器。LC 网络连接在电阻器和地之间。

该电路结合了高通和低通滤波器。

笔记：

·       高通滤波器的截止频率是带阻滤波器的较高截止频率

·       低通滤波器的截止频率是带阻滤波器的较低截止频率

·       因此，仅允许排除高通滤波器和低通滤波器截止频率之间的频率的频率在输出端通过

这些滤波器也称为带阻、带阻和 T 陷波滤波器。

有源带阻滤波器——在输出端有一个运算放大器或晶体管放大器，在将允许的频率信号传送到功率放大器或音频驱动器之前放大它们。该运算放大器使用的带宽必须与带阻滤波器所需的频率曲线相匹配。

术语
以下是一些与音频过滤器相关的常用术语。

带宽：允许通过滤波器的频率范围，或上下截止频率之差。有时称为通带带宽，带宽决定了滤波器在设定频率范围内的频率响应。

品质因数（Q-factor）：谐振电路中的损耗。谐振器存储的能量与每个周期为保持信号幅度恒定而提供的能量之比。Q越大意味着损失越少，反之亦然。

Q =（储存的能量/每个周期损失的能量）

在带宽方面，Q 是使用以下等式确定的：

Q = (fc/体重)

在哪里…

fc = 谐振频率
BW = 带宽或谐振宽度

Q 因子可以使用音频滤波器的频率曲线来确定……

通过本文的详细解析，我们深入了解了滤波器的原理、应用和性能评估。滤波器在实际应用中起着关键作用，能够有效地去除噪声、提高信号质量。在选择滤波器时，我们需要根据具体需求考虑滤波器的类型、设计参数和性能指标。同时，了解滤波器的工作原理和优势，对于进行滤波器的设计和优化也具有重要意义。希望本文能够为读者提供有关滤波器的全面解析，帮助读者更好地应用滤波器技术。

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