【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率

本文提供了有关如何微调低通滤波器特性的一些提示。

 

相关信息

 

专注于相位:全通滤波器

电感输出,运算放大器:二阶有源滤波器简介

了解线性相位滤波器

 

根据我的经验,最常见的滤波器设计任务 - 即,当您实际需要进行一些数学运算时,选择元件值,并考虑不同的拓扑 - 涉及低通响应。电气工程师经常发现自己处理的信号具有低频信息和高频噪声或干扰。也许我们需要抑制音频信号中的令人不快的声音,或者消除传感器信号的虚假变化,或者消除在解调过程中产生的不需要的频谱。然后有抗锯齿滤波器有助于保持数字化数据的质量,甚至我们可以忽略信号的高频内容。

 

选择低通滤波器的截止频率最初看起来很简单,但是当你仔细考虑它时 - 例如当现实设计迫使你更仔细地考虑它时 - 你会发现实际上有一些微妙的细节和复杂性。

 

第一件事:什么是截止频率?

 

我们必须记住,截止频率不是“好”频率和“坏”频率之间的某种精确分界线。低通滤波器始终从通带平滑过渡到阻带。此外,关于“截止”频率没有任何神奇之处,更准确地称为-3dB频率,即幅度响应比0Hz处的值低3dB的频率。

 

 【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率

 

在我看来,这是围绕低通滤波器设计复杂化的主要原因 - 很难选择合适的截止频率,因为这个术语的字面含义指的是现实生活中的电路设计中不存在的东西,即,滤波器“切断”不需要的频率,保持所需频率不变的精确点。然而,设计任务的更基本部分是彻底了解将进入滤波器的信号以及应该从滤波器输出的信号。

 

输入和输出

 

要优化低通滤波器,您必须尽可能多地了解输入的预期频率内容和输出的所需频率内容。

如果您计划使用一阶滤波器,频率响应将始终具有相同的基本特征,因此我只发生两种通用场景:

 

专注于通带

 

在第一种情况下,通带末端的频率不会受到重大关注。例如,您知道所有信号都将低于10 kHz,但您有一个重要的传感器输出,往往保持在7.5 kHz左右。您可能不希望截止频率为10 kHz,因为这会对7.5 kHz信号施加几乎2 dB的衰减:

 

 【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率

 

在这种情况下,最好增加截止频率,直到7.5 kHz更接近通带的几乎平坦的部分。例如,如果将截止频率推至20 kHz,则7.5 kHz处的衰减小于0.6 dB:

 

 【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率

 

截止频率的进一步增加将导致7.5 kHz衰减的相应减少,但是像往常一样,存在权衡取舍。通过增加截止频率,您可以在通带中包含更多不必要(并且可能是噪声)的频率,并减少阻带中的频率衰减。(在这种情况下,“阻带”是一个模糊的术语 - 我用它来指代经历主要衰减的频率,比如至少20 dB。)

 

专注于阻带

 

第二种情况是优先级是抑制阻带中的特定频率,而不是保留通带中的特定频率。例如,您可能有时钟信号或RF发射器污染您的脆弱模拟信号。您依靠低通滤波器来抑制这种干扰(您不使用陷波滤波器,因为您还需要典型的宽带降噪)。

在一阶滤波器的限制范围内,您可以做的就是增加特定频率的衰减,使截止频率更接近0 Hz。如果你无法彻底衰减强干扰信号并充分保留通带中信号的幅度,那么就该考虑二阶滤波器了。

 

二阶期权

 

这是一个广泛的主题,我们只是在这里略过表面。在本文的上下文中要理解的重要一点是二阶滤波器更具有可塑性。可以调整二阶滤波器以提供更平坦的通带(巴特沃斯滤波器),更陡峭的滚降(切比雪夫滤波器)或更线性的相位响应(贝塞尔滤波器)。以下三个图提供了Butterworth,Chebyshev和Bessel响应的视觉比较。

 

【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率 

使用ADI公司的模拟滤波器向导生成。

 

 【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率

使用ADI公司的模拟滤波器向导生成。

 

 【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率

使用ADI公司的模拟滤波器向导生成。

 

截止频率与二阶滤波器特性之间的关系如下:您选择的截止频率可能会受到您使用的滤波器类型的影响。

 

假设您对抑制高频干扰信号有严格的要求。如果您使用从通带到阻带快速转换的切比雪夫滤波器,您可能不必像最初想象的那样降低截止频率。如果您主要关心的是保留通带中某个频率的幅度,那么Butterworth滤波器的平坦通带响应可以让您更灵活地定位截止频率。

 

总结

 

选择截止频率首先要清楚地知道哪些频率应该通过滤波器,哪些频率应该被滤波器阻挡。之后,您必须考虑滤波器从低衰减到高衰减的细节,以及输入波形的频率内容和滤波器预期完成的信号处理目标。

  • 【技术专辑】如何选择低通滤波器的截止频率已关闭评论
    A+
发布日期:2019年03月03日  所属分类:参考设计