滤波器的那些事儿
这是一个方波，在经过了未知电路后，变成了这样，我们知道，它应该是经过了放大器。
图1
现在，这还是一个方波，经过未知电路后变成了这样，你觉得它经过了什么？
图2
本期让我们详细来讲讲滤波器的那些事儿。
一、什么是滤波器
滤波器是个很重要的组件，它在生活中最为大家所知的功能就是“降噪”。不过，滤波器功能上的降噪是一个广义的降噪，不仅是声音的“噪声”，还有各种电信号中我们不想要的，人为定义的噪声分量。
由于这样的特性，滤波器现在广泛应用于各种通信系统，不仅能用于滤除噪声干扰，控制信号带宽，也可以用于改变波形特性等场景，可谓电子人必了解电路之一。
二、滤波器的功能和分类
这里我们要先引入一个前置知识，即：从信号处理的角度来看，世界上所有的信号都可以被理解为是一个或者多个或者无穷个不同频率、不同相位、不同幅值的正弦波的叠加——这就是大名鼎鼎的傅里叶变换。
图3
打个比方，方波也可以用正弦波来表示。根据傅里叶变换的公式，一个幅值为1，周期为2π的方波，其函数形式可以表达为：
在t大于等于2kπ，小于（2k+1）π时，f(t)=1
在t大于等于（2k+1）π，小于2（k+1）π时，f（t）=-1
傅里叶变换拆解它之后，“因式分解”后，这个方波的函数变成了这样。
F（t）=4/π（sint+1/3sin3t+1/5sin5t+……）
有了这个函数，我们可以不再以时间，而是以频率作为横坐标，以功率或者电压作为纵坐标重新画图，得到信号在不同频点处的功率或电压，即“频谱”。
图4
那滤波器滤除的究竟是什么，经过滤波器之后信号幅值就降低吗？
滤波器是滤去带外频率的信号分量的。理想情况下，在一个信号通过滤波器之后，滤波器带宽范围内信号不受影响，范围外的信号功率或电压骤减为0。
图5
而根据滤波方式的不同，滤波器也分为低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器等等，意思基本也能从字面上理解，比如低通滤波器就是只让低于某个频率的信号分量通过的滤波器。
要完成这样的电路设计，性能和频率息息相关的电容和电感就成了搭建电路的首选。
我们不妨思考一下，如果一个电阻和一个电容串联起来，由于信号频率越高，电容对应的阻抗越低，那么高频分量和低频分量在通过这个电路时，分配给电阻和电容的电压比例根据分压原理是不同的。
图6
如果此时我们在这个电容两端接上示波器来观测其电信号变化情况，很显然，这个电信号实际上就是高频分量被滤去后的波形。
图7
整理一下这个电路图，让它看起来更直观，这张电路图就会变成这样：
图8
这个就是RC低通滤波器。
反过来，如果想要滤除高频，电阻就要放到接地端，这样一来，低频分量就会更多地分压在电容上，而高频分量更多地分压在电阻上，从而造成了“高通”。
图9
除了RC滤波器，也可以用RLC、LC、RL等方式组合，但是实际情况中RC是最常见的一种搭配方式。
三、关于滤波频率
我们说低通滤波器通低频，阻高频，那么频率多低才算低，多高才算高呢？什么频率开始，信号会被滤除？又有没有办法精确地控制滤波器的滤波频率呢？
我们引入一个新概念——滤波器的截止频率，来量化滤波器的性能。
RC低通滤波器的截止频率可以通过以下公式来计算：
截止频率fc = 1 / (2πRC)
公式表明，RC滤波器的截止频率与电阻R和电容C的乘积成反比。实际推导这里不做展开。总之，我们通过这个计算公式能够找到一个频率，如果大于这个频率，信号幅值的衰减会急剧加强，呈现出一种低通特性，但问题远没有那么简单。
上机器实际给大家看看真实情况！
我们可以用鼎阳SNA5000A系列矢量网络分析仪测试这个截止频率为4GHz的低通滤波器，观察其不同频点的S21参数，也就是传输系数。
图10
测量无源滤波器时，屏幕上波形越高代表衰减越低，波形越低代表衰减越大。所以按照我们今天学的理论，在4GHz那个频点处，信号应该有个大幅衰减……
但实际上，信号在4GHz那个频点处前就已经开始衰减，而在4GHz之后，也没有立刻下降到底。
图11
四、现实中滤波器的困境
滤波器是不可能做到带内绝对平坦，带外瞬间滤除的。所谓的截止频率，也只是我们人为设定的一个能够接受的频率点，在这个频率点之前，信号在可接受范围内小幅衰减，在这个频率之后，信号衰减速度加快。
为了尽可能让这个“坡度”变得陡峭，科学家们想了很多办法。
图12
我们也可以模拟一下思路，先滤波：
图13
如果我们过滤某个东西觉得滤得不干净，最简单的办法就是再滤一遍，电信号也可以使用这个思路。
图14
这个就是二阶低通滤波器。
那能不能再滤呢？当然能，不光能，我们还可以加很多的元器件让它性能变得更好，原则上来说越滤效果越好。
图15
但就像我们过滤水一样，明明只是想要滤去杂质，难免会把有用的成分也滤掉一些。所以带内平坦度和陡峭度是无法双全的参数，过渡带极端陡峭一定伴随着带内和带外的波动，我们只能尽量去靠近理想中的性能。
而关于电路搭建的最优解，科学家们也总结发明出了好几种性能不错的滤波器，如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器、贝塞尔滤波器……它们都是通过不同的电路搭建来实现不同特性的滤波性能以适配不同场景，总有一款适合你。
图16
『关于鼎阳』
鼎阳科技（SIGLENT）是一家专注于通用电子测试测量仪器及相关解决方案的公司。作为一家全球性的仪器仪表领域创新解决方案的制造商，鼎阳是全球极少数具有数字示波器、信号发生器、频谱分析仪和矢量网络分析仪四大通用电子测试测量仪器主力产品研发、生产和销售能力的通用电子测试测量仪器企业，同时也是国内极少数同时拥有这四大主力产品并且四大主力产品全线进入高端领域的企业。公司总部位于深圳，在美国克利夫兰、德国奥格斯堡、日本东京成立了子公司，在成都成立了分公司，产品远销全球80多个国家和地区。未来，鼎阳科技还将持续深耕通用电子测试测量领域，为中国工业化进程贡献力量。
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 0
本文由Victor转载自鼎阳科技知乎，原文标题为:滤波器有哪些作用？，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
相关推荐
网络分析仪校准验证的常见误区
正确的校准是保证矢量网络分析仪VNA正确测量的前提，现代商用矢量网络分析仪已经提供很多智能的校准方法保证校准的正正确的校准是保证矢量网络分析仪VNA正确测量的前提，现代商用矢量网络分析仪已经提供很多智能的校准方法保证校准的正确性。使用者通常在校准之后，直接测量校准件，来验证校准的结果，这是一种常见的验证方法，但是由于历史原因和对一些细节的认识不够深入，使用者对验证结果的认识有一定误区。
【仪器】新功能！鼎阳科技SNA系列矢量网络分析仪新增材料测量与开关矩阵控制功能
鼎阳科技秉持创新引领的发展理念，不断推动产品升级和技术创新，致力于为全球用户提供更加优质、高效的测试测量解决方案。SNA系列矢量网络分析仪新增材料测量与开关矩阵控制功能，为用户带来更加出色的使用体验。
鼎阳科技持续创新突破，SNA系列矢量网络分析仪新增材料测量与开关矩阵控制功能
鼎阳科技秉持创新引领的发展理念，不断推动产品升级和技术创新，致力于为全球用户提供更加优质、高效的测试测量解决方案。SNA系列矢量网络分析仪新增材料测量与开关矩阵控制功能，为用户带来更加出色的使用体验。
基于鼎阳科技的四端口矢量网络分析仪的以太网线缆测试
由于工业以太网应用在工业环境下，其对振动、温度、湿度和电磁干扰的适应要求都可能比一般的IT产业设备工作条件更严苛。因此，对于同轴线缆的传输性能提出了更高的要求。使用鼎阳科技的四端口矢量网络分析仪搭配工业以太网测试夹具，可以完成以太网线束的测试。
【仪器】矢量混频测量与增益压缩测量功能上线，鼎阳SNA5000X/A系列矢量网络分析仪性能再升级
为提升产品性能和优化用户体验，鼎阳科技持续推动技术创新与产品升级，致力于为用户提供最优质的测试方案。出色的射频性能、灵活的硬件配置和丰富的软件功能相辅相成。通过固件升级，SNA5000X/A系列矢量网络分析仪新增矢量混频测量和增益压缩测量功能，进一步增强其测试能力，帮助工程师更精准高效地测试和优化混频器、放大器等关键射频器件的性能。
【仪器】鼎阳科技全新全双端口手持矢量网络分析仪SHN900A，频率达26.5GHz，专为便携和灵活测试设计
2023年8月1日，鼎阳科技发布了SHN900A系列全双端口手持式矢量网络分析仪，频率高达26.5GHz，集成矢量网络分析、时域分析、频谱分析、电缆和天线分析等多种功能于一体，具有出色的技术指标，专为便携和灵活测试而设计。
SNA5000X系列SNA6000A系列SHN900A系列矢量网络分析仪编程指南
本资料为SIGLENT Technologies Co., Ltd.生产的SNA5000A系列矢量网络分析仪的编程指南。指南详细介绍了如何通过LAN、USB和GPIB-USB Host接口远程控制分析仪，并基于SCPI命令集进行编程。内容包括建立通信、SCPI语言介绍、系统命令、编程示例等，旨在帮助用户实现分析仪的远程控制和数据操作。
鼎阳科技 - 矢量网络分析仪,VECTOR NETWORK ANALYZER,SNA5000X,SNA6000A,SHN900A,SNA5004A,SNA5014A,SNA5002A,SNA5012A,SNA5000X SERIES,SNA5022A,SNA5000A,SHN900A SERIES,SNA5032A,SNA6000A SERIES
【产品】鼎阳科技频谱分析仪/实时频谱分析仪/矢量网络分析仪，频率范围涵盖9 KHz-7.5 GHz
鼎阳科技实时频谱/频谱/矢量网络分析仪，7.5 GHz最高测量频率鼎阳科技自主研发的实时频谱分析仪、频谱分析仪和矢量网络分析仪，重量轻，体积小，具有便捷的操作界面和简洁的显示风格。频谱分析仪频率范围涵盖9 kHz ~ 7.5 GHz，实时频谱分析仪最高实时分析带宽达40 MHz，矢量网络分析仪频率范围覆盖100 kHz ~ 7.5 GHz。
SNA6000A 系列矢量网络分析仪数据手册
SNA6000A系列矢量网络分析仪是一款高性能的测试设备，频率范围覆盖100 kHz至26.5 GHz，具备高动态范围、高分辨率和多种测量功能，适用于研发和生产环境。
鼎阳科技 - 矢量网络分析仪,SNA6000A 系列,SNA6032A,SNA6034A,SNA6122A,SNA6000A,SNA6022A,SNA6132A,SNA6124A,SNA6024A,SNA6134A,研发,生产
矢量网络分析仪应用文档
本文档详细介绍了增益压缩测量的原理和应用，包括压缩点的定义、不同压缩方法的原理和特点、扫描方式的选择以及测量步骤。文档重点阐述了矢量网络分析仪在增益压缩测量中的应用，包括预测试、校准、数据采集和分析等环节，并提供了具体的操作方法和注意事项。此外，文档还介绍了智能扫描和安全模式等高级功能，以适应不同测试场景和需求。
鼎阳科技 - 矢量网络分析仪,SNA5000X
矢量网络分析仪为什么需要做校准？
本文鼎阳科技分析了矢量网络分析仪需要做校准的原因以及如何才能测试出系统的误差损耗。
SNA5000X 系列矢量网络分析仪
SNA5000X系列矢量网络分析仪是一款高性能的测试设备，具备9 kHz至8.5 GHz的测量频率范围，支持多种测量和分析功能，包括S参数测量、差分测量、时域测量、频谱分析和滤波器特性等。它具有高动态范围、低失真和多种校准选项，适用于研发和生产环境。
鼎阳科技 - 矢量网络分析仪,SNA5000X,SNA5000-TDR,SNA5082X,SNA5000-PM,SNA5054X,SNA5000-HPR,SNA5052X,SNA5084X,SNA5000X 系列,SNA5000-PV,SNA5000-SMM,SNA5000-TDA,SNA5000-SA
矢量网络分析仪VNA的工作原理有哪些？
矢量网络分析仪（VNA）通过内部信号源、开关、功率分配器和定向耦合器等组件，测量被测设备（DUT）的反射和传输特性。校准是必需的，以消除测试路径中由于频率响应、阻抗失配和信号泄露等因素引起的误差。校准过程包括使用已知参数的标准校准件进行测试，从而得出误差值并储存，以便在后续测试中代入系统计算消除误差。此外，VNA校准还涉及内部源功率校准、接收机校准、S参数校准补偿以及适配器移除和插入功能等。
【产品】SNA6000A系列矢量网络分析仪，配备四个测试端口，频率高达26.5GHz
鼎阳科技发布SNA6000A系列矢量网络分析仪，频率高达26.5GHz，配备四个测试端口，并且可通过同步推出的SSM5000A系列开关矩阵或SSU5000A系列机械开关将端口扩展至24个或更多。
SNA5000A系列矢量网络分析仪规格书
SIGLENT SNA5000A系列矢量网络分析仪（VNA）提供9 kHz至8.5 GHz和100 kHz至26.5 GHz的频率范围，支持2/4端口散射参数、差分参数和时间域参数测量。该系列VNA适用于确定滤波器的Q因子、带宽和插入损耗，具有高分辨率、动态范围和多种校准和测量类型。
鼎阳科技 - VNAS,虚拟网络分析系统,矢量网络分析仪,VECTOR NETWORK ANALYZER,SNA5000A,SNA5022A,SNA5032A,SNA5004A,SNA5014A,SNA5002A,SNA5012A,SNA5000A SERIES,R&D,研发,制造应用,MANUFACTURING APPLICATIONS
电子商城
服务
测试范围：扬兴晶振全系列晶体，通过对晶体回路匹配分析，调整频率、驱动功率和起振能力，解决频偏、不起振、干扰、频率错误等问题。技术专家免费分析，测完如有问题，会进一步晶振烧录/修改电路。
实验室地址： 深圳 提交需求>
整体外形尺寸小至0.6*0.3*0.3mm (DFN0603)，工作电压范围覆盖2.5V~36V，电容值低至0.2pF，浪涌能力最高可达240安培，静电等级可达空气放电、接触放电±30KV。提供免费浪涌测试仪、静电测试仪测试。
提交需求>
授权代理品牌：集成电路
授权代理品牌：分立元件
授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
授权代理品牌：加工与定制
我要提问
登录 | 立即注册
提交评论