基于陷波滤波器的设计及应用

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　　陷波滤波器(也称为带阻滤波器或拒绝滤波器)被定义为拒绝或阻止特定频率范围内的频率传输并允许该范围之外的频率传输的设备。陷波滤波器消除了窄频带的传输，并允许传输该频带之上和之下的所有频率。由于它消除了频率，因此它也被称为带阻滤波器。陷波滤波器本质上是具有窄阻带和两个通带的带阻滤波器，与带通情况一样，带阻滤波器可以是宽带也可以是窄带。

图1 陷波滤波器

　　如果滤波器是宽带，则称为带阻滤波器，如果滤波器是窄带，则称为陷波滤波器。带阻滤波器的特性正好与带通滤波器相反。因此，陷波滤波器是带通滤波器的补充。例如，如果陷波滤波器的阻带频率在100MHz到200MHz之间，那么它将所有信号从DC传递到100MHz和200MHz以上的频率，它只会抑制100MHz到200MHz之间的频率。因此，陷波滤波器的功能是将所有这些频率从零(DC)传递到较低的截止频率(fL)和高于较高的截止频率(fH)，并拒绝所有位于带宽区域，即BW=fH-fL。

　　在存在噪声的情况下检测和过滤窄带信号是信号处理技术的重要应用。在许多应用中，需要在不改变频带能量的情况下去除窄带信号。这可以通过使信号通过陷波滤波器来实现。基于此，设计了多种类型的陷波滤波器电路，今天小编带大家详细了解陷波滤波器电路的主要类型。

　　1.陷波滤波器类型

　　1.1有源陷波滤波器

　　有源陷波滤波器是低通滤波器和高通滤波器的并联组合，以运放为放大元件，如下图所示。

图2 有源陷波滤波器电路

　　有源陷波滤波器的电路图分为三个部分。上部是与有源高通滤波器(HPF)并联的有源低通滤波器(LPF)。电路的第三部分也是最后一部分是放大部分，其中运算放大器用于放大。最后的运算放大器级是一个加法放大器或一个用作加法器的运算放大器加法器。有源陷波滤波器的电路图如下图所示。

　　这里，低通滤波器的高频截止是

　　而高通滤波器的低频截止为

　　1.2无源陷波滤波器

　　无源滤波器仅由电阻、电感、电容等无源元件组成，不使用运算放大器等有源元件进行放大。因此，无源陷波滤波器中不存在放大部分。无源陷波滤波器是无源低通滤波器和无源高通滤波器的组合。无源陷波滤波器电路的上部是与无源高通滤波器并联的无源低通滤波器。无源陷波滤波器的电路图如下图所示。

图3 无源RC陷波滤波器电路

　　1.3光学陷波滤波器

　　陷波滤波器是一种光学滤波器，可选择性地拒绝一部分光谱，同时传输所有其他波长。它可以针对不同的抑制水平进行设计，这通常是在光密度方面。

　　在光学系统中，特定波长的光被衍射光栅或色散棱镜选择性地重定向。在透射光栅和棱镜的情况下，通过物体的多色光将被重定向到波长，然后可以通过光学陷波滤波器获得所需的波长。

　　在这种情况下，当使用具有真实材料的光学器件时，光会在各种波长下衰减，并且会通过与光通过的介质的干扰进行过滤。光学陷波滤波器使未改变或衰减最小的光的波长通过。

　　光学陷波滤波器用于基于激光的拉曼光谱、基于激光的荧光以及其他生物医学和生命科学应用。

　　1.4RLC陷波滤波器

　　顾名思义RLC，这种陷波滤波器或带阻滤波器包含无源元件电阻器、电感器和电容器。因此，它也被称为无源陷波滤波器。RLC陷波滤波器的电路图如下图所示。

图4 RLC陷波滤波器电路

　　RLC陷波滤波器的并联元件是L和C的串联组合。输出是通过电感器和电容器的串联组合获得的。RLC陷波滤波器的等效电路和特性如下图所示。

图5 RLC陷波滤波器等效电路

　　1.5射频陷波滤波器

　　窄陷波滤波器是一种射频陷波滤波器，可用于在功率放大器非线性测量期间抑制载波频率。

　　一个LC电路的陷波滤波器用于拒绝一个特定的在射频域中的干扰频率。LC电路陷波滤波器电路与靠近发射器的无线电接收器一起使用，它会淹没所有其他信号。陷波器用于拒绝来自发射器的信号。

　　FM广播信号非常强，它可以防止SDR(软件定义无线电)处理弱信号。FM陷波滤波器对于SDR应用非常有用。因此，FM信号首先通过陷波滤波器，然后提供给SDRUSB。

图6 射频陷波滤波器配置

　　1.6巴特沃斯陷波滤波器

　　甲巴特沃思陷波滤波器是一种特殊类型的设计为具有频率响应尽可能平坦如在窄阻带信号处理的过滤器。理想的陷波滤波器可以在不失真的情况下拒绝某些频率范围，并通过所有其他频率。但在某些应用中，由于信噪比低，简单的陷波滤波器并不准确和可靠。在这些情况下，Butterworth的陷波滤波器用于提高准确性和可靠性。

　　例如，在ECG(心电图)中，通常干扰的噪声有电力线干扰、仪器噪声、外部磁场干扰、随机身体运动引起的噪声和呼吸运动。这些噪声可以根据它们的频率内容来表征。噪声的带宽与所需信号的带宽重叠，因此普通滤波技术无法充分提高信噪比。因此，有必要降低心电信号中的这些噪声，以提高准确性和可靠性。4个与3分贝阶巴特沃斯陷波滤波器的阻带被用来减少从ECG信号50赫兹电源线噪声的干扰。

　　2.陷波滤波器的应用

　　陷波滤波器的一些应用包括：

　　(1)陷波滤波器通常用于通信系统、仪表和控制系统以及生物医学领域，以消除50/60Hz电力线干扰。

　　(2)陷波滤波器或带阻滤波器广泛用于电子和通信电路，以抑制不需要的频带并允许以最小损耗传输其他频率。

　　(3)交流和直流电机驱动器、转换器和逆变器的开关类型会在线路频率的某些谐波处引起正弦干扰。陷波滤波器的使用消除了这种不需要的干扰并实现了准确的测量。

　　(4)在图像和信号处理中非常优选地拒绝不需要的频率，即噪声。

　　(5)它用于音频信号处理，用于去除特定范围的不需要的频率，即噪声或嗡嗡声。

　　(6)它在电话技术、DSL和其他互联网服务中用作线路降噪器，以减少不需要的干扰。请注意，DSL是用于通过电话线传输数字信息的数字用户线。

　　(7)它用于吉他放大器、乐器放大器、原声吉他、曼陀林、贝斯乐器放大器和PA系统，以减少乐器插入后可能产生的特定嗡嗡声。请注意，PA(公共地址)系统是由麦克风、放大器、扬声器和其他音乐设备组成的电子系统。

　　(8)它用于医疗领域应用，即ECG(心电图)测量，以消除直流分量。

　　3.关于陷波滤波器的常见问题

　　3.1带阻滤波器(陷波滤波器)的用途是什么?

　　带阻滤波器的一个典型应用是在音频信号处理中，用于去除特定范围的不需要的声音频率，如噪声或嗡嗡声，同时不衰减其余部分。另一个应用是从通信系统中的一系列信号中拒绝特定信号。

　　3.2什么是带通带阻滤波器?

　　带通滤波器允许给定频带内的频率，拒绝低于它和高于它的频率。阻带滤波器则相反，拒绝带内的频率并让带外的频率通过。

　　3.3阻带中滤波器的增益会发生什么变化?

　　可以以图形方式将增益和相位表示为频率ω的函数，如典型滤波器的近似所示。在通带区域中，增益函数在一定频率范围内具有几乎恒定的增益。在阻带区域，增益在一定频率范围内显着降低。

　　3.4带通滤波器和带阻滤波器有什么区别?

　　带通滤波器允许给定频带内的频率，拒绝低于它和高于它的频率。阻带滤波器则相反，拒绝频带内的频率并让频带外的频率通过。

　　3.5哪个滤波器有两个阻带?

　　带通滤波器通常有两个阻带。带通滤波器的形状因子是3dB带宽与阻带限制之间的差异之间的关系。