圖1:正弦波和噪聲信號頻域的不同部分分布
你的濾波器參數(shù)還在盲調(diào)?耐心看完這篇!
發(fā)布時(shí)間:2021-03-12 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】今天跟大家分享一篇關(guān)于RC濾波器設(shè)計(jì)的文章,在嵌入式系統(tǒng)中可以說,"無濾波器,不嵌入式",各種傳感器信號多多少少會(huì)攜帶一些噪聲信號,那么通過濾波器就能夠更好的降低和去除噪聲,還原真實(shí)有用信號,
今天跟大家分享一篇關(guān)于RC濾波器設(shè)計(jì)的文章,在嵌入式系統(tǒng)中可以說,"無濾波器,不嵌入式",各種傳感器信號多多少少會(huì)攜帶一些噪聲信號,那么通過濾波器就能夠更好的降低和去除噪聲,還原真實(shí)有用信號,
而無源RC濾波器當(dāng)然是大部分濾波器中首選的廉價(jià)設(shè)計(jì),并且能較簡單數(shù)字化為軟件濾波器設(shè)計(jì),所以軟件與硬件濾波在于一個(gè)離散數(shù)字化的過程,所以整體設(shè)計(jì)上大同小異。
然而大部分工作多年的工程師還在盲調(diào)RC濾波參數(shù),多多少少感覺有點(diǎn)凄涼,所以下面的內(nèi)容能夠幫助你更好的認(rèn)識(shí)濾波器及設(shè)計(jì)過程。
當(dāng)然很多人會(huì)問那還有很多復(fù)雜一點(diǎn)的濾波器如FIR,IIR等等,其實(shí)都打通小異吧,好了廢話不多說了,繼續(xù)看正文!
時(shí)域和頻域
當(dāng)您在示波器上查看電信號時(shí),您會(huì)看到一條線,表示電壓隨時(shí)間的變化。在任何特定時(shí)刻,信號只有一個(gè)電壓值。您在示波器上看到的是信號的時(shí)域表示。
典型的示波器跟蹤顯示非常直觀,但也有一定的限制性,因?yàn)樗恢苯语@示信號的頻率內(nèi)容。而與時(shí)域表示相反就是頻域,其中一個(gè)時(shí)刻僅對應(yīng)于一個(gè)電壓值,頻域表示(也稱為頻譜)通過識(shí)別同時(shí)存在的各種頻率分量來傳達(dá)關(guān)于信號的信息。
什么是濾波器?
濾波器是一個(gè)電路,其去除或“過濾掉”頻率分量的特定范圍。換句話說,它將信號的頻譜分離為將要通過的頻率分量和將被阻隔的頻率分量。
如果您對頻域分析沒有太多經(jīng)驗(yàn),您可能仍然不確定這些頻率成分是什么,以及它們?nèi)绾卧诓荒芡瑫r(shí)具有多個(gè)電壓值的信號中共存。讓我們看一個(gè)有助于澄清這個(gè)概念的簡短例子。
假設(shè)我們有一個(gè)由完美的5kHz正弦波組成的音頻信號。我們知道時(shí)域中的正弦波是什么樣的,在頻域中我們只能看到5kHz的頻率“尖峰”?,F(xiàn)在讓我們假設(shè)我們激活一個(gè)500kHz振蕩器,將高頻噪聲引入音頻信號。
在示波器上看到的信號仍然只是一個(gè)電壓序列,每個(gè)時(shí)刻有一個(gè)值,但信號看起來會(huì)有所不同,因?yàn)樗臅r(shí)域變化現(xiàn)在必須反映5kHz正弦波和高頻噪音波動(dòng)。
然而,在頻域中,正弦波和噪聲是在一個(gè)信號中同時(shí)存在的單獨(dú)的頻率分量。正弦波和噪聲占據(jù)了信號頻域表示的不同部分(如圖1所示),這意味著我們可以通過將信號引導(dǎo)通過低頻并阻擋高頻的電路來濾除噪聲。
圖1:正弦波和噪聲信號頻域的不同部分分布
濾波器的類型
濾波器可以放在與濾波器頻率響應(yīng)的一般特征相對應(yīng)的廣泛類別中。如果濾波器通過低頻并阻止高頻,則稱為低通濾波器;如果它阻擋低頻并通過高頻,它就是一個(gè)高通濾波器。還有帶通濾波器,其僅通過相對窄的頻率范圍,以及帶阻濾波器,其僅阻擋相對窄的頻率范圍(圖2)。
圖2:各濾波器頻域表示
還可以根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)電路的組件類型對濾波器進(jìn)行分類。無源濾波器使用電阻器,電容器和電感器,這些組件不具備提供放大的能力,因此無源濾波器只能維持或減小輸入信號的幅度。另一方面,有源濾波器既可以濾波信號又可以應(yīng)用增益,因?yàn)樗ㄓ性丛?,如晶體管或運(yùn)算放大器(圖3)。
圖3
這種有源低通濾波器基于流行的Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本文將探討無源低通濾波器的分析和設(shè)計(jì)。這些電路在各種系統(tǒng)和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。
RC低通濾波器
為了創(chuàng)建無源低通濾波器,我們需要將電阻元件與電抗元件組合在一起。換句話說,我們需要一個(gè)由電阻器和電容器或電感器組成的電路。從理論上講,電阻—電感(RL)低通拓?fù)湓跒V波能力方面與電阻—電容(RC)低通拓?fù)湎喈?dāng)。但實(shí)際上,電阻—電容方案更為常見,因此本文的其余部分將重點(diǎn)介紹RC低通濾波器(圖4)。
圖4:RC低通濾波器
如圖所示,通過將一個(gè)電阻與信號路徑串聯(lián),并將一個(gè)電容與負(fù)載并聯(lián),可以產(chǎn)生RC低通響應(yīng)。在圖中,負(fù)載是單個(gè)組件,但在實(shí)際電路中,它可能更復(fù)雜,例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器,放大器或示波器的輸入級,用于測量濾波器的響應(yīng)。
如果我們認(rèn)識(shí)到電阻器和電容器形成與頻率相關(guān)的分壓器,就可以直觀地分析RC低通拓?fù)涞臑V波動(dòng)作(圖5)。
圖5:重新繪制RC低通濾波器,使其看起來像分壓器
當(dāng)輸入信號的頻率低時(shí),電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗高;因此,大部分輸入電壓在電容器上(和負(fù)載兩端,與電容器并聯(lián))下降。當(dāng)輸入頻率較高時(shí),電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗較低,這意味著電阻器上的電壓降低,并且較少的電壓傳輸?shù)截?fù)載。因此,低頻通過并且高頻被阻擋。
RC低通功能的這種定性解釋是重要的第一步,但是當(dāng)我們需要實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)它并不是很有用,因?yàn)樾g(shù)語“高頻”和“低頻”非常模糊。工程師需要?jiǎng)?chuàng)建通過并阻止特定頻率的電路。例如,在上述音頻系統(tǒng)中,我們希望保留5kHz信號并抑制500kHz信號。這意味著我們需要一個(gè)濾波器,從5kHz到500kHz之間的傳遞過渡到阻塞。
RC低通濾波器
濾波器不會(huì)引起顯著衰減的頻率范圍稱為通帶,濾波器確實(shí)導(dǎo)致顯著衰減的頻率范圍稱為阻帶。模擬濾波器,例如RC低通濾波器,總是從通帶逐漸過渡到阻帶。這意味著無法識(shí)別濾波器停止傳遞信號并開始阻塞信號的一個(gè)頻率。然而,工程師需要一種方便,簡潔地總結(jié)濾波器頻率響應(yīng)的方法,這就是截止頻率概念發(fā)揮作用的地方。
當(dāng)您查看RC濾波器的頻率響應(yīng)圖時(shí),您會(huì)注意到術(shù)語“截止頻率”不是很準(zhǔn)確。信號光譜被“切割”成兩半的圖像,其中一個(gè)被保留而其中一個(gè)被丟棄,不適用,因?yàn)殡S著頻率從截止點(diǎn)下方移動(dòng)到截止值以上,衰減逐漸增加。
RC低通濾波器的截止頻率實(shí)際上是輸入信號幅度降低3dB的頻率(選擇該值是因?yàn)榉冉档?dB對應(yīng)于功率降低50%)。因此,截止頻率也稱為-3dB頻率,實(shí)際上該名稱更準(zhǔn)確且信息量更大。術(shù)語帶寬是指濾波器通帶的寬度,在低通濾波器的情況下,帶寬等于-3dB頻率(如圖6所示)。
圖6
圖6表示RC低通濾波器的頻率響應(yīng)的一般特性,帶寬等于-3dB頻率。
如上所述,RC濾波器的低通行為是由電阻器的頻率無關(guān)阻抗與電容器的頻率相關(guān)阻抗之間的相互作用引起的。為了確定濾波器頻率響應(yīng)的細(xì)節(jié),我們需要在數(shù)學(xué)上分析電阻(R)和電容(C)之間的關(guān)系,我們還可以操縱這些值,以設(shè)計(jì)滿足精確規(guī)格的濾波器。RC低通濾波器的截止頻率(fC)計(jì)算如下:
圖7
我們來看一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)實(shí)例。電容值比電阻值更具限制性,因此我們將從常見的電容值(例如10nF)開始,然后我們將使用該公式來確定所需的電阻值。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器,它將保留5kHz音頻波形并抑制500kHz噪聲波形。我們將嘗試100kHz的截止頻率,稍后在文章中我們將更仔細(xì)地分析此濾波器對兩個(gè)頻率分量的影響,公式如圖8。
圖8
因此,160Ω電阻與10nF電容相結(jié)合,將為我們提供一個(gè)非常接近所需頻率響應(yīng)的濾波器。
計(jì)算濾波器響應(yīng)
我們可以通過使用典型分壓器計(jì)算的頻率相關(guān)版本來計(jì)算低通濾波器的理論行為。電阻分壓器的輸出表示如圖9:
圖9
圖10
RC濾波器使用等效結(jié)構(gòu),但是我們有一個(gè)電容器代替R2(圖10)。首先,我們用電容器的電抗(XC)代替R2(在分子中)。接下來,我們需要計(jì)算總阻抗的大小并將其放在分母中。因此,我們有(圖11):
圖11
電容器的電抗表示與電流的相反量,但與電阻不同,相反量取決于通過電容器的信號頻率。因此,我們必須計(jì)算特定頻率的電抗,計(jì)算公式如下(圖12):
圖12
在上面的設(shè)計(jì)實(shí)例中,R≈160Ω且C=10nF。我們假設(shè)VIN的幅度是1V,這樣我們就可以簡單地從計(jì)算中去掉VIN。首先讓我們以正弦波頻率計(jì)算VOUT的幅度(圖12):
圖13
正弦波的幅度基本不變。這很好,因?yàn)槲覀兊哪康氖窃谝种圃胍舻耐瑫r(shí)保持正弦波。這個(gè)結(jié)果并不令人驚訝,因?yàn)槲覀冞x擇的截止頻率(100kHz)遠(yuǎn)高于正弦波頻率(5kHz)。
現(xiàn)在讓我們看看濾波器如何成功衰減噪聲分量(圖14)。
圖14
噪聲幅度僅為其原始值的約20%。
可視化濾波器響應(yīng)
評估濾波器對信號影響的最方便方法是檢查濾波器頻率響應(yīng)的圖。這些圖形通常稱為波德圖,在垂直軸上具有幅度(以分貝為單位),在水平軸上具有頻率;水平軸通常具有對數(shù)標(biāo)度,使得1Hz和10Hz之間的物理距離與10Hz和100Hz之間,100Hz和1kHz之間的物理距離相同等等(圖15)。這種配置使我們能夠快速準(zhǔn)確地評估濾波器在很大頻率范圍內(nèi)的行為。
圖15:頻率響應(yīng)圖的一個(gè)例子
曲線上的每個(gè)點(diǎn)表示如果輸入信號的幅度為1V且頻率等于水平軸上的相應(yīng)值,則輸出信號將具有的幅度。例如,當(dāng)輸入頻率為1MHz時(shí),輸出幅度(假設(shè)輸入幅度為1V)將為0.1V(因?yàn)?20dB對應(yīng)于十倍減少因子)。
當(dāng)您花費(fèi)更多時(shí)間使用濾波器電路時(shí),此頻率響應(yīng)曲線的一般形狀將變得非常熟悉。通帶中的曲線幾乎完全平坦,然后隨著輸入頻率接近截止頻率,它開始下降得更快。最終,衰減的變化率(稱為滾降)穩(wěn)定在20dB/decade-即,輸入頻率每增加十倍,輸出信號的幅度降低20dB。
評估低通濾波器性能
如果我們仔細(xì)繪制我們在本文前面設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng),我們將看到5kHz時(shí)的幅度響應(yīng)基本上是0dB(即幾乎為零衰減),500kHz時(shí)的幅度響應(yīng)約為-14dB(對應(yīng)于0.2的增益)。這些值與我們在上一節(jié)中執(zhí)行的計(jì)算結(jié)果一致。
由于RC濾波器總是從通帶到阻帶逐漸過渡,并且因?yàn)樗p永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到無窮大,我們無法設(shè)計(jì)出“完美”的濾波器—即對正弦波沒有影響并完全消除噪聲的濾波器。相反,我們總是需要權(quán)衡。如果我們將截止頻率移近5kHz,我們將有更多的噪聲衰減,但我們想要發(fā)送到揚(yáng)聲器的正弦波也會(huì)衰減更多。如果我們將截止頻率移近500kHz,我們在正弦波頻率下的衰減會(huì)減少,但噪聲頻率下的衰減也會(huì)減少。
前面我們已經(jīng)討論了濾波器修改信號中各種頻率分量振幅的方式。然而,除了振幅效應(yīng)之外,電抗性電路元件總是引入相移。
低通濾波器相移
相位的概念是指周期內(nèi)特定時(shí)刻的周期信號的值。因此,當(dāng)我們說電路引起相移時(shí),我們的意思是它會(huì)在輸入信號和輸出信號之間產(chǎn)生偏差:輸入和輸出信號不再在同一時(shí)刻開始和結(jié)束它們的周期。相移值(例如45°或90°)表示產(chǎn)生的偏差量。
電路中的每個(gè)電抗元件都會(huì)引入90°的相移,但這種相移不會(huì)同時(shí)發(fā)生。輸出信號的相位與輸出信號的振幅一樣,隨著輸入頻率的增加而逐漸變化。RC低通濾波器中有一個(gè)電抗元件(電容器),因而電路最終也會(huì)引入90°的相移。
與振幅響應(yīng)一樣,通過檢查水平軸表示對數(shù)頻率的曲線圖,可以最容易地評估相位響應(yīng)。以下描述表示了一般模式,查看圖16可以進(jìn)一步了解詳細(xì)信息。
●相移最初為0°。
●相移逐漸增加,直到在截止頻率處達(dá)到45°;在這部分響應(yīng)期間,變化率逐漸增加。
●在截止頻率之后,相移繼續(xù)增加,但變化率逐漸降低。
●隨著相移逐漸接近90°,變化率變得非常小。
圖16
實(shí)線是振幅響應(yīng),虛線是相位響應(yīng)。截止頻率為100kHz。注意,截止頻率下的相移為45°。
二階低通濾波器
到目前為止,我們假設(shè)RC低通濾波器由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器組成。這種配置是一階濾波器。
無源濾波器的“階數(shù)”由電路中電抗元件(即電容器或電感器)的數(shù)量決定。高階濾波器具有更多的無功元件,會(huì)產(chǎn)生更多的相移和更陡的滾降,而后者是增加濾波器階數(shù)的主要?jiǎng)訖C(jī)。
向?yàn)V波器添加一個(gè)電抗元件,例如,從一階到二階或二階到三階,便可將最大滾降增加20dB/十倍。
二階濾波器通常圍繞由電感器和電容器組成的諧振電路構(gòu)建,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為RLC(Resistor-Inductor-Capacitor)。但是,也可以創(chuàng)建二階RC濾波器。如下圖所示,我們需要做的就是將兩個(gè)一階RC濾波器級聯(lián)起來(圖17)。
圖17
雖然這種拓?fù)淇隙〞?huì)產(chǎn)生二階響應(yīng),但它沒有被廣泛使用。正如我們將在下一節(jié)中看到的那樣,其頻率響應(yīng)通常不如二階有源濾波器或二階RLC濾波器。
二階RC濾波器的頻率響應(yīng)
我們可以嘗試根據(jù)所需的截止頻率設(shè)計(jì)一階濾波器,然后從中選擇兩個(gè)串聯(lián)連接來,從而構(gòu)成二階RC低通濾波器。此舉確實(shí)可以使濾波器表示出類似的總頻率響應(yīng),最大滾降為40dB/decade而不是20dB/decade。
但是,如果我們更仔細(xì)地觀察響應(yīng),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)-3dB頻率出現(xiàn)降低。二階RC濾波器的行為不符合預(yù)期,因?yàn)閮蓚€(gè)濾波階段不是獨(dú)立的,因此不能簡單地將這兩個(gè)濾波器連接在一起,并將電路分析為一階低通濾波器疊加一個(gè)相同的一階低通過濾。
此外,即使我們在兩級之間插入緩沖器,使得第一階RC和第二階RC可以用作獨(dú)立濾波器,此時(shí)原始截止頻率處的衰減將是6dB而不是3dB。這恰恰是因?yàn)閮呻A獨(dú)立工作而導(dǎo)致的。第一個(gè)濾波器在截止頻率處具有3dB的衰減,而第二個(gè)濾波器加上了另外3dB的衰減(圖18)。
圖18
二階RC低通濾波器的基本限制是設(shè)計(jì)人員無法通過調(diào)整濾波器的Q因子來微調(diào)從通帶到阻帶的轉(zhuǎn)換;此參數(shù)表示頻率響應(yīng)的阻尼程度。如果將兩個(gè)相同的RC低通濾波器級聯(lián),則整體傳遞函數(shù)對應(yīng)于二階響應(yīng),但Q因子始終為0.5。當(dāng)Q=0.5時(shí),濾波器處于過阻尼的邊界,這會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)在過渡區(qū)域中“下垂”。二階有源濾波器和二階諧振濾波器沒有這一限制;設(shè)計(jì)人員可以控制Q因子,從而微調(diào)過渡區(qū)域的頻率響應(yīng)。
小結(jié)
所有電信號都混合了所需頻率分量和不需要的頻率分量。不需要的頻率分量通常由噪聲和干擾引起,并且在某些情況下會(huì)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
濾波器是以不同方式對信號頻譜的不同部分作出反應(yīng)的電路。低通濾波器旨在讓低頻分量通過,同時(shí)阻止高頻分量。
低通濾波器的截止頻率表示濾波器從低衰減變?yōu)轱@著衰減的頻率區(qū)域。
RC低通濾波器的輸出電壓可以通過將電路視為由(頻率無關(guān))電阻和(頻率相關(guān))電抗組成的分壓器來計(jì)算。
振幅(以dB為單位,在垂直軸上)與對數(shù)頻率(以赫茲為單位,在水平軸上)的曲線圖是檢查濾波器理論行為的方便有效的方法,還可以使用相位與對數(shù)頻率的關(guān)系圖來確定將要應(yīng)用于輸入信號的相移量。
二階濾波器的滾降更陡峭;當(dāng)信號不能在所需頻率分量和不需要的頻率分量之間提供寬帶分離時(shí),這種二階響應(yīng)比較有用。
可以通過構(gòu)建兩個(gè)相同的一階RC低通濾波器,然后將一個(gè)的輸出連接到另一個(gè)的輸入來創(chuàng)建二階RC低通濾波器,但最終整體的-3dB頻率將低于預(yù)期。
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