滤波器-背景知识

背景常识

滤波器

滤波是一个动作，对不同频率输入信号，实施不同的增益和相移，以形成输出。滤波器，是执行这种动作的硬件设备或者软件程序。无论滤波，还是滤波器，英文均为 filter，它是名词，也是动词。
模拟滤波

所谓的模拟滤波器，其输入量是连续的模拟信号。模拟滤波，只能通过硬件电路实现。

模拟滤波器的实现方法：无源滤波和有源滤波
- 无源滤波：只用无源器件组成的滤波器。一般包括电阻、电容、电感和变压器。
  
  优点：
  - 1）在大电压、电流时，很多有源器件会失效，而无源器件一般不受限制。
  - 2）在超高频率时，无源器件具有天生的优势。
  - 3）实现最为简单的滤波时，无源电路有优势。
  - 4）一般来说，会比有源器件便宜一些，除非用到大个头的电感、电容
- 有源滤波：是必须有额外电能供应才能工作的器件，比如晶体管、运放、门电路、处理器等
  
  优点：
  - 1）可以引入负反馈、可以引入放大环节，因此可以实现极为复杂的滤波器，且能轻松应对小信号。
  - 2）可以轻松实现多级滤波器的级联，而无源滤波器各级之间的互相影响是极为复杂的，多级级联非常困难。
  - 3）对超低频率，有源滤波器有天生优势。它可以利用反馈网络，通过密勒等效等方法，用很小的电容代替超大电容、电感。我们知道，特征频率越低，要求电容值越大。即便现在已经有了超级电容，我们仍应坚信，制作电容需要足够大的面积和足够小的间距，这在物理上，是受限的。单纯用无源电路，想实现超低频率的滤波器，唯一的方法是使用超大的电容器，这非常困难。
  - 4）电路计算相对更简单。
  实现方式：
  - 用运放组成的有源滤波器
  - 状态变量型(State Variable Filter)集成有源滤波器：这是一个集成芯片。它的核心仍是运放电路，通过不同的管脚输出高通、低通和带通，用户可以自由搭配实现不同的功能。
  - 开关电容滤波器：
    
    核心思想：一个电容器，给它增加一个开关，用开关的开断控制电容的充电或者放电，可以控制其平均电流，以此模拟一个变值的电阻。
    
    相比于开关电容滤波器，普通滤波器要实现特征频率的改变，需要人工改变电路中的电阻或者电容值，这很麻烦且很多情况下难以实现。但是，开关电容滤波器，你只要改变外部的时钟频率，就可以修改特征频率，这对于按照节拍工作的处理器来说，是一件轻松的事情
数字滤波

其输入量是离散的数字信号，或者是一个程序，对已有的数字序列进行滤波，形成新数据。既可以用硬件的数字电路实现，也可以用软件编程实现。
滤波器形态

图1.1 滤波器形态
1）低通(Low Pass)和高通(High Pass)滤波器

2）带通(Band Pass)和选频滤波器

3）带阻(Band Rejection or Band Stop)滤波器和陷波器(Notch) ：和带通刚好相反，它滤除高于 fL 且低于 fH 的，也有两个特征频率点。特殊的带阻，也叫陷波器，或者称为点阻滤波，它只对某一中心频率 fC 附近的频率量实施大幅度衰减。比如 50Hz 陷波器

4）全通(All pass)滤波器：在增益上，全部频率范围内，都是一样的，看起来和一根导线直通差不多。但是在相移上，它对不同频率的输入信号，具有不同的相移，因此，你也可以称它为“相移滤波器”。