无源和有源滤波器的设计

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说，凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。

滤波的概念

滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。

一般来说，滤波分为经典滤波和现代滤波。

经典滤波是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念，根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

在经典滤波和现代滤波中，滤波器模型其实是一样的(硬件方面的滤波器其实进展并不大)，但现代滤波还加入了数字滤波的很多概念。

滤波电路的原理

当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感应电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。

因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。

在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。

滤波器的作用

1、将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比;

2、滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度;

3、从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。

电路分类

1.按所采用的元器件分为无源和有源滤波器

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。

无源滤波电路

无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC(电感、电容)电路滤波。

有源滤波电路

有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。

2.根据滤波器的选频作用分类

(1)低通滤波器

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。

(2)高通滤波器

与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

(3)带通滤波器

它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。

(4)带阻滤波器

与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

3.按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器

数字滤波器与模拟滤波器的主要区别：

1、数字滤波器用于离散系统，模拟滤波器用于连续时间系统，也可以用在离散时间系统中，比如SC(开关电容)滤波器。

2、数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。

数字滤波器可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实现。模拟滤波器有有源和无源的，有源滤波器主要是有运放，或者跨到运放，及电阻，电容构成。无源的滤波器主要是R,L,C构成。模拟滤波器会有电压漂移、温度漂移和噪声等问题，而数字滤波器不存在这些问题，因而可以达到很高的稳定度和精度。

3、从实现手段上看，模拟滤波器一般用电容，电感这些模拟器件搭建的，数字滤波器可以通过软件或者数字芯片来实现。模拟滤波器参数改变时要更换电容、电感，很麻烦。数字滤波器参数改变时有时只需要修改一下系数就可以做到了(如软件实现时)。

4、从技术指标上看，举个例子模拟滤波器要达到-60dB就非常困难了，而数字滤波器可以比较容易地达到这个指标。

5、模拟滤波器和数字滤波器最大的区别是数字滤波器关于Fs/2频率是翻转的，也就是对称的;而模拟滤波器不是。所以在DAC之中会选择大量插值滤波，把镜频频率放到很远的频点上，之后在射频段用声表这样的模拟滤波器滤掉镜频。所以数字模拟滤波器缺一不可。

6、模拟滤波器与数字滤波器的表达方式不同：模拟滤波器用H(S)表示，而数字滤波器用H(Z)表示。模拟滤波器是以幅频特性的逼近为主，而数字滤波器则可以实现相位的匹配。