陷波滤波器设计：用于特定噪声衰减的窄带滤波器

在处理电气设备时，噪声和干扰很常见，因为不同的电路会产生不同的信号频率并相互冲突。此类问题在通信设备中很普遍，容易受到电力线的影响。如果您遇到此类问题，可以使用陷波滤波器设计过滤掉不需要的频率。有不同类型的陷波滤波器，每种都有独特的电路设计，需要构建特定的组件。

在本文中，我们将详细介绍它们，以使您能够构建正确的电路。

什么是陷波滤波器？

陷波滤波器也称为带阻滤波器或带阻滤波器，是一种在窄陷波上产生高水平衰减的设备。它拒绝该频段，但允许低于或高于阻塞范围的所有其他频段进行传输。

图表显示了 50Hz 音频滤波器的频率响应。注意被阻塞频率的窄 V 形。

来源：维基共享资源。

该设备可以方便地过滤掉特定的噪音，例如来自交流电源的 60Hz 嗡嗡声。

陷波滤波器特性

陷波滤波器具有三个属性：

• 窄带宽（阻带）
• 衰减深度大
• 高品质

要获得高Q值，电路中需要一个几乎无限的衰减深度和一个高增益的运算放大器。

陷波滤波器类型

陷波滤波器设计具有三个组件。低通滤波器衰减高频，高通滤波器阻断低频，加法放大器将结果合并。

然而，有不同的陷波滤波器类型，每种都有独特的电路设计。它们包括：

有源陷波滤波器

有源陷波滤波器电路图

绿色部分构成该有源滤波器中的低通滤波器，而蓝色部分构成高通滤波器。这些由运算放大器（橙色组件）汇总。

被动陷波滤波器

与有源陷波滤波器不同，这种类型只有无源元件。它缺少构成电路有源部分的放大器。

显示 T 配置的低通和高通滤波器的无源陷波滤波器电路图

图中橙色部分为低通滤波器部分，蓝色部分为高通滤波器部分。

RLC 陷波滤波器

顾名思义，RLC陷波滤波器属于无源型，因为电路只有电阻（R）、电感（L）和电容（C）。

一个 RLC 陷波滤波器

巴特沃斯陷波滤波器

巴特沃斯陷波滤波器产生尽可能平坦的响应，使其可靠且高度准确。大多数医疗设备，如心电图，都有该设备。

四阶巴特沃斯低通滤波器

FM 陷波滤波器

FM 陷波滤波器有助于抑制导致接收器饱和的强 FM 信号。同频段的调频有所增加，主要是由于本地化的音频广播，因此该设备对于降低噪音至关重要。

VHF FM 陷波滤波器

其他类型包括光学、射频和反陷波滤波器。可能还有更多，但都有一个有源或无源陷波滤波器作为底层电路。区分两者的唯一方法是电路设计是否具有有源组件（放大器电路）。

陷波滤波器设计示例

陷波滤波器的基本设计

如前所述，陷波滤波器具有三个主要组件：低通滤波器、高通滤波器和放大器。三者相结合，衰减了一个狭窄而特定的频率范围。

显示陷波滤波器窄 V 阻带的图形响应

来源：维基共享资源。

最常见的陷波滤波器拓扑是基本的双 T 型陷波滤波器设计。它是两个 RC 分支的组合。

一个基本的双T陷波滤波器电路

上面的 T 配置（红色）是低通滤波器，而下面的 T（绿色）是高通滤波器。

但是，如果要在高衰减水平下获得更窄的抑制水平，则需要引入运算放大器。

带有运算放大器的双 T 陷波滤波器。橙色的两个电阻构成分压器

电路仍然存在一个主要问题。它增加了响应曲线中 V 衰减后的增益。因此，需要引入另一个运算放大器来防止电路改变通带。

两个运算放大器陷波滤波器设计

设计实例

假设我们要设计两个具有 1kHz 陷波频率和 100Hz 3dB 带宽的运算放大器。考虑高通滤波电容的值为0.1uF。

我们可以使用公式来获得陷波滤波器的频率，即：

因此，我们可以设计20dB陷波深度的有源陷波滤波器如下：

20dB 陷波深度的两个运算放大器陷波滤波器

设计一个 RLC 型陷波滤波器

另一个值得一看的例子是 RLC 陷波滤波器。与具有六个组件的双 T 型设计不同，这个组件只有三个：电阻器、电感器和电容器。

如果任务是设计一个以 23 kHz 和 25 kHz 作为截止频率的电路，下面是如何去做。

用于 23 kHz 和 25 kHz 截止频率的 RLC 陷波滤波器

陷波滤波器传递函数

BW是带宽。

WZ 是零圆频率（截止频率），而 WP 是极圆频率。 WP决定过滤器的类型/特性，有三种可能。

• 若极圆频率高于零圆频率（WP>WZ），则为高通陷波滤波器
• 若极圆频率低于零圆频率（WP
• 但是，如果两者相等，则您有一个标准陷波滤波器

因此，可以将标准陷波滤波器的公式改写为：

WC为抑制频带宽度，W0为抑制频率（中心）。

陷波滤波器应用

• 通信系统：消息信号很可能会受到谐波噪声（尤其是电力线）的干扰，而陷波滤波器有助于消除这一频率范围。
• 音频应用（声学应用）：嗡嗡声会使音频工程设备（如放大器和 PA 系统）失真或产生尖锐尖峰，但陷波滤波器可以消除这些频率。
• 医学工程：电源线干扰会干扰 EEG 和 ECG 读数。陷波滤波器有助于消除生物医学信号中的这种电力线噪声。
• 互联网服务：通过电话线（例如 DSL）进行互联网传输容易受到不必要的干扰，处理它的唯一方法是使用陷波滤波器作为线路降噪器。
• 数字信号和图像处理
• 光学应用

总结

陷波滤波器在多种应用中都很方便，主要是因为它们可以阻挡交流电源造成的干扰。

如果你想搭建这个设备，上面的信息和电路图就足以指导你完成这个过程。

但是，您需要先为该项目购买所需的分立元件，我们拥有您需要的一切。联系我们，以实惠的价格购买正品 PCB、电阻器、电容器以及设置滤波器所需的所有部件。