文章目录
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- 概要
- 整体架构流程
- 技术名词解释
- 技术细节
- 小结
概要
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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。
比如,高通滤波器的动作效果是∶输入频率较高时,其增益逼近一个设定值,相移基本为0,当输入频率低于某一设定值后,随着频率的降低,增益开始逐渐下降,相移开始逐渐增大,最终的结果是,直流量或者超低频率量,都会被滤除。
产生频率失真的根本要素是,输入波形是一个复合波,低失真度放大电路对输入波形中不同频率信号,实施了不同增益、不同延时的放大。虽然,对每个单一频率正弦波,都不产生非线性失真,但是,由于线性失真的存在,输出的复合波形仍然会发生变形。
图Section76-2是用Excel生成的,表现线性失真的示意图。图中蓝色为原始输入的复合波形,由等幅度的基波和3次谐波相加形成,如果没有发生线性失真,其输出将与输入一样。单纯的幅度失真如图红色波形所示,它是1倍的基波+0.5倍的3次谐波组成,很显然,放大电路对3次谐波实施了幅度的衰减,输出波形看起来平滑了很多,即我们常说的高频抑制;而绿色波形则是单纯的相位失真,它是有1倍基波无相移·1倍3次谐波含一个固定相移组成;而紫色波形则是"既包含幅度失真,又包含相位失真"的综合失真。
整体架构流程
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所谓的模拟滤波器,其输入量是连续的模拟信号。
而数字滤波器,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。
技术名词解释
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模拟滤波,只能通过硬件电路实现。而数字滤波,既可以用硬件的数字电路实现,也可以用软件编程实现。
目前稍复杂的电子系统,都存在3个环节,感知自然界模拟信号的输入环节,模数转换和处理器环节,数模转换和执行环节。在这样的电子系统中,存在大量的滤波器。
比如MP3,它可以听歌,也可以录音放音。信号链路,以录音放音为例,其流程如下︰
1)外界的声音是一个客观存在的声波,传递到麦克风,麦克风是一个声电变化器,它负责把声音信号转换成mV量级的波动电压信号。虽然麦克风没有专门设计滤波器,但是它本身的物理特性限制了它的工作频率范围,从表象看,它是一个几H到几十kHz的带通滤波器,这属于模拟滤波器。
2)后级的“输入模拟信号处理"单元,其实就是本书的内容,它负责把 mV量级的波动电压,转变成V量级的波动电压,因此需要上千倍的电压放大,并且在这个环节,需要实施10Hz~50kHz的带通滤波,以保证人类能够听到的20Hz~20kHz信号能够完整的传递,且滤除人类听不到的声音,这属于模拟滤波。
3)随后,这个波动电压被ADC (Analog to Digital Converter,模数转换器)变成离散的数码序列,通过主控的处理器,读取ADC 的数据,保存在内部的 FLASH ROM中,或者外插的SD卡、U盘中。在ADC内部,一般不存在模拟滤波,是否存在数字滤波取决于ADC的类型,对于音频领域的ADC,多数为工-△型,内部含有数字滤波器。
技术细节:
有源滤波:
有源器件,active device,或active compenent,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。由至少1个有源器件组成的滤波器,称为有源滤波器,active filter。就是一个有源滤波器。
无源滤波:
所谓的无源滤波器,passive filter,是只用无源器件组成的滤波器。无源器件,也称被动器件,英文为passive device,或 passive compenent,它的特点是无需外部供电即可工作,一般包括电阻、电容、电感和变压器。
优缺点:
无源滤波器的优点是︰
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。
有源滤波器的优点是︰
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。
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例如:
- API
- 支持模型类型
小结
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例如:
本文重点分享的有源滤波和无源滤波。