如何对方波进行低通滤波

出处:维库电子市场网时间:2025-01-08
  数字波形实际上并不是数字波形。它是具有不同频率和不同幅度的长(理论上无限)正弦曲线序列的组合。当这些正弦曲线完全对齐时,结果是正常的方形(或矩形)波形。然而,当它们没有对齐时,你终会得到一个扭曲的块状东西,它不是真正的方波,但也肯定不是正弦波。

  让我们看一个例子。以下电路是四阶巴特沃斯低通滤波器

  这是频率响应:

  如果我使用该电路过滤 10 kHz 方波,结果如下:

  这里的问题是巴特沃斯滤波器不具有线性相位响应,换句话说,相移的变化方式使得不同的频率经历不同的时间延迟。因此,方波中的频率分量在通过滤波器时不会保持对齐,终结果是您在上升/下降沿看到的过冲/下冲。

  上图中出现的过冲并不可怕,但波形的整体外观会随着周期的减小而恶化:

  另请注意,随着滤波器阶数的增加,振铃将变得更加严重。
  贝塞尔滤波器
  我们可以通过使用贝塞尔滤波器来解决这个问题。在引言中,我说过本文将呈现一个“电路”,但这并不,因为贝塞尔电路本身(即组件的排列)与巴特沃斯电路或切比雪夫电路没有什么不同。将二阶滤波器级转变为贝塞尔(或巴特沃斯或切比雪夫)滤波器的是组件值,计算这些组件值以创建与这些滤波器类型相对应的频率响应。使用过滤表确定这些组件值将是一个很好的智力练习,但在面向目标的工程的“现实世界”中,很难与上述 Analog Devices 工具等软件竞争。
  贝塞尔滤波器针对线性相位响应进行了优化,这使其成为限度减少数字信号振铃的理想选择。振铃、过冲、失真、稳定时间——这些都是我们在提及滤波数字波形的变化时可以使用的术语,但重要的是要记住这种变化的真正原因:非线性相位响应,它会在波形之间产生时间分离。构成方波的傅里叶频率。

  下面的电路与前一个电路一样有四个极点,并且截止频率相同。然而,选择分量值是为了创建贝塞尔响应而不是巴特沃斯响应。

  这是波特图:

  下图包括巴特沃斯滤波器和贝塞尔滤波器的时域波形;可以看到贝塞尔滤波器大大减少了失真。
  
  结论
  我们讨论了数字信号低通滤波的概念,然后研究了不具有线性相位响应的滤波器产生的不良影响。,我们介绍了贝塞尔滤波器,该滤波器针对线性相位响应进行了优化,并且明显可以减少时域波形中的振铃量。
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