內容簡介
《LC濾波器設計與製作》作為一本介紹LC濾波器設計和製作方法的實用性圖書,內容包括瞭經典設計方法和現代設計方法,如定K型、m推演型、巴特沃思型、切比雪夫型、貝塞爾型、高斯型、逆切比雪夫型、橢圓函數型等低通、高通、帶通、帶阻濾波器及電容耦閤諧振器型窄帶濾波器。《LC濾波器設計與製作》中還詳細介紹瞭對於實現濾波器有重要意義的元件值變換方法、匹配衰減器設計方法和電感綫圈的設計、製作和測試方法。
《LC濾波器設計與製作》的特點是簡明易懂、實用性強。即使是不具備電子技術專業知識的人,也能夠利用《LC濾波器設計與製作》設計和製作齣性能符閤使用要求的LC濾波器。
《LC濾波器設計與製作》可作為信號處理、信息通信等相關領域的工程技術人員的參考書,也可供大專院校的師生參考使用。
作者簡介
森榮二
1991年進入株式會社ADVANTEST從事頻譜分析儀、網絡分析儀的開發工作
1998年進入美國微衝公司(美國加利福尼亞州,現在的安立公司)作為高級設計工程師從事測定器用微波、毫米波的相關開發工作
內頁插圖
目錄
第1章 濾波器的種類和特性
1.1 濾波器的種類和名稱
1.2 理想濾波器的特性
1.3 實際濾波器的特性
1.4 函數型濾波器的特性
【專欄】本書中所涉及的數學運算
第2章 低通濾波器的經典法設計——定K型及m推演型LPF的設計和應用
2.1 定K型低通濾波器特性概述
2.2 依據歸一化LPF來設計定K型濾波器
2.3 定K型歸一化LPF的設計數據
2.4 m推演型低通濾波器
2.5 m推演型LPF的歸一化設計數據及濾波器設計方法
2.6 m推演型濾波器與定K型濾波器的組閤設計
2.7 利用m推演型改善匹配性的濾波器設計技術
第3章 巴特沃思型低通濾波器的設計——以其通帶衰減特性平坦而聞名,且易於設計
3.1 巴特沃思型低通濾波器特性概述
3.2 依據歸一化LPF來設計巴特沃思型低通濾波器
3.3 歸一化巴特沃思型LPF的設計數據
3.4 巴特沃思型LPF的電路元件值計算
第4章 切比雪夫型低通濾波器的設計——以通帶內允許特性起伏來換取截止特性陡峭
4.1 切比雪夫型低通濾波器特性概述
4.2 依據歸一化LPF來設計切比雪夫型低通濾波器
4.3 歸一化切比雪夫型LPF的設計數據
第5章 貝塞爾型低通濾波器的設計——通帶內群延遲特性最平坦的濾波器
5.1 貝塞爾型低通濾波器特性概述
5.2 依據歸一化LPF來設計貝塞爾型低通濾波器
5.3 歸一化貝塞爾型LPF的設計數據
第6章 高斯型低通濾波器的設計——群延遲特性在通帶內就開始緩慢變化的濾波器
6.1 高斯型低通濾波器特性概述
6.2 依據歸一化LPF來設計高斯型低通濾波器
6.3 歸一化高斯型LPF的設計數據
第7章 高通濾波器的設計方法——先把歸一化LPF變換成歸一化HPF,再求待設計HPF的元件值
7.1 依據定K型LPF的數據來設計高通濾波器
7.2 定K型HPF的特性
7.3 依據m推演型歸一化LPF的數據來設計高通濾波器
7.4 依據巴特沃思型歸一化LPF的數據來設計高通濾波器
7.5 巴特沃思型歸一化HPF的設計數據
7.6 依據貝塞爾型歸一化LPF的數據來設計高通濾波器
7.7 依據高斯型歸一化LPF的數據來設計高通濾波器
7.8 高通濾波器設計中元件寄生電感的有效利用
第8章 帶通濾波器的設計方法——先設計帶寬與BPF相同的LPF,再進行元件變換而得BPF
8.1 依據定K型歸一化LPF的數據來設計BPF
8.2 兩種中心頻率(幾何中心頻率和綫性坐標中心頻率)
8.3 BPF、特性與LPF特性的關係
8.4 BPF、的截止頻率和陷波頻率的計算
8.5 不同類型的BPF的特性比較
第9章 帶阻濾波器的設計方法——先設計帶寬與BRF相同的HPF,再進行元件變換而得BRF
9.1 依據定K型歸一化LPF的數據來設計帶阻濾波器
9.2 依據巴特沃思型歸一化LPF的數據來設計帶阻濾波器
第10章 變換濾波器構成元件值的方法——旨在使用適當參數的部件來實現濾波器特性
10.1 整備元件值的必要性
10.2 諾頓變換
10.3 π-T/T-π變換
10.4 變壓器的使用
10.5 巴特萊特二等分定理
10.6 Ⅲ型基本電路單元的變換
10.7 利用迴轉器進行的電路變換
10.8 通過添加足夠大耦閤電容器的辦法進行電路變換
附錄A 為瞭使濾波器易於製作而常用的電路變換
第11章 電容耦閤諧振器式帶通濾波器的設計——適閤於窄帶濾波器設計
11.1 諧振器耦閤式帶通濾波器的設計方法
11.2 設計步驟的歸納
11.3 製作高頻BPF時的一個重要問題
第12章 逆切比雪夫型LPF的設計——通帶內最大平坦,阻帶內有陷波點
12.1 阻帶頻率與阻帶衰減量的關係
12.2 逆切比雪夫型LPF特性概述
12.3 歸一化逆切比雪夫型LPF的設計數據
第13章 橢圓函數型LPF的設計——允許通帶內和阻帶內均有起伏,截止特性得以改善
13.1 橢圓函數型歸一化LPF的設計數據
13.2 橢圓函數型LPF特性概述
第14章 匹配衰減器的設計和應用——為瞭準確地測得濾波器特性,必須進行阻抗匹配
14.1 特徵阻抗變換器
14.2 T形阻抗變換器和丌形阻抗變換器
14.3 匹配衰減器的設計
14.4 歸一化匹配衰減器及阻抗變換器
第15章 電感綫圈的設計和製作方法——依據形狀和導磁率求匝數
15.1 空芯綫圈的設計和製作方法
15.2 環形磁芯綫圈的設計和製作方法
15.3 磁芯骨架式可變綫圈的設計和製作方法
15.4 空芯綫圈的設計數據
附錄B 諧振頻率測試設備的製作
參考文獻
設計示例和計算示例一覽錶
前言/序言
編寫本書時,作者特彆注重以下三點:
(1)隻采用加減乘除、冪乘和開平方這樣的簡單運算,使得沒有專業知識的人也能順利地設計齣LC濾波器,在設計之前預先知道其特性。
(2)盡可能多地給齣一些設計實例和實驗結果。
(3)充分發揮仿真工具的作用,使濾波器特性的說明盡量簡單明瞭。
在市場上,已經有許多關於LC濾波器和濾波器理論方麵的優秀著作,但這些著作在講述濾波器設計問題時,大都涉及較深的數學知識,不免令人望而生畏。本書是作者對濾波器設計方麵的內容做瞭精心研究之後編寫的,因而利用本書所講述的設計方法,既不必進行復雜運算,又能設計、製作齣令人滿意的LC濾波器。
.LC濾波器在難以使用運算放大器等器件的高頻領域中起著極為重要的作用,但在設計高頻LC濾波器的時候,經常會遇到這樣的問題:按照理論計算辛辛苦苦設計齣來的濾波器,一經實際測試,卻發現其特性距離設計值相距甚遠。當就這一問題去請教經驗豐富的技術人員時,他們大都能一眼就看齣問題所在,一語道破“那是寄生電感的影響”或“那是因為有寄生電容的緣故”。然而在多數情況下,這些寄生因素並不應該成為我們未能設計齣實測特性與理論相符閤的濾波器的辯解理由。
這一問題也是本書所重視的一個問題。實際上,上麵所說的寄生電感和寄生電容總是存在的,它們所造成的濾波器實測特性與設計計算結果不一緻的問題不可能徹底消除。本書將以測試實例為依據,對於什麼樣的參數會帶來多大程度影響的問題作深入說明,並在此基礎上給齣最閤適的實際裝配方法。
在講述帶通濾波器(BPF)的各相關章節中,作者特意多安排瞭一些具體的設計實例,目的在於澄清關於帶通濾波器設計方麵的一些“訛傳”,例如“寬帶BPF難以實現”、“不能用高Q值的諧振電路來製作寬帶BPF”、“想要加寬BPF的頻帶,就得把諧振電路的諧振頻率按順序排列在一起”等,這些說法其實都是不對的。
遺憾的是,不僅一些年輕的工程師常會說齣上述錯話,就連一些有經驗的工程師,也有人會有這種錯誤的觀點。如果本書能使更多的人對於BPF的設計問題和步驟有深刻理解,作者將感到非常榮幸。
書中雖然略去瞭濾波器理論方麵的復雜數學公式,但對於實際製作濾波器時所需要的重要變換和實際裝配方法則作瞭盡可能詳細的介紹。如果這些內容能被年輕工程師和經驗豐富的骨乾工程師們作為“備用手冊”來用,作者更感榮幸。
在本書齣版之際,作者對為本書齣版付齣瞭很多心血的CQ齣版株式會社的各位同仁錶示衷心的感謝。
著者
《精密濾波器的奧秘:從理論到實踐的深度探索》 在現代電子係統設計中,濾波器的作用至關重要,它如同信號的“守門員”,嚴格篩選所需信息,剔除乾擾雜音,從而保證信號的純淨與係統的穩定運行。本書《精密濾波器的奧秘:從理論到實踐的深度探索》旨在為讀者提供一個全麵且深入的濾波理論與實際應用知識體係,尤其側重於高精度、高性能濾波器在復雜工程領域的設計與實現。本書並非局限於某一特定類型的濾波器,而是著眼於過濾技術的核心原理,並涵蓋瞭從基礎概念到前沿技術的廣泛內容。 第一部分:濾波理論基石——透視信號的本質 任何精密的濾波設計都離不開對信號本質的深刻理解。本部分將從信號理論的基礎齣發,層層剝繭,引導讀者建立紮實的理論根基。 信號的數學描述與頻譜分析: 首先,我們將深入探討連續時間信號和離散時間信號的數學錶示方法,包括傅裏葉級數、傅裏葉變換及其性質。通過對信號進行頻譜分析,理解信號在頻域的分布特徵,這是設計濾波器頻率響應的關鍵。讀者將學會如何通過頻譜圖識彆信號的主要成分、諧波以及噪聲,為後續的濾波器設計提供直觀依據。 綫性時不變(LTI)係統理論: 濾波器本質上是一種LTI係統。本部分將詳細闡述LTI係統的核心概念,包括捲積定理、係統函數(傳遞函數)以及衝擊響應。理解係統函數如何錶徵一個LTI係統的頻率選擇性是設計濾波器的關鍵。我們將通過具體的例子,演示如何通過係統函數預測和分析濾波器的行為。 濾波器分類與基本概念: 濾波器的分類繁多,本部分將係統梳理各類濾波器的基本定義和特性,包括低通、高通、帶通、帶阻濾波器,以及它們的理想模型與實際逼近。同時,我們將引入諸如通帶、阻帶、截止頻率、過渡帶、衰減斜率、階數等核心參數,為後續的濾波器設計提供量化指標。 模擬濾波器與數字濾波器的辨析: 深入分析模擬濾波器和數字濾波器在工作原理、實現方式、優缺點上的差異。理解模擬濾波器的電路實現(如RC、RLC、有源電路)以及數字濾波器基於采樣定理和數字信號處理(DSP)的實現機製。本書將重點關注數字濾波器的設計方法,因為其在現代電子係統中占據主導地位。 第二部分:數字濾波器設計——從理想到現實的轉化 數字濾波器的設計是本書的核心內容之一,我們將係統地介紹主流的數字濾波器設計方法,並結閤實際應用需求進行深入分析。 無限衝激響應(IIR)濾波器設計: IIR濾波器以其高效率而著稱,可以用較低的階數實現陡峭的頻率選擇性。本部分將詳細講解IIR濾波器設計的三種經典方法: 巴特沃斯(Butterworth)濾波器: 介紹其“最平坦”的通帶特性,以及其傳遞函數的求解和係數計算。 切比雪夫(Chebyshev)濾波器(Type I & Type II): 分析其在通帶或阻帶具有等波紋特性的設計思路,理解不同類型的切比雪夫濾波器在紋波與衰減方麵的權衡。 橢圓(Elliptic)濾波器: 探討其在通帶和阻帶均存在等波紋,能夠以最低階數實現最優的頻率選擇性,但也伴隨著相位失真。 我們將提供詳細的計算步驟和設計公式,並探討如何利用計算機輔助設計(CAD)工具來簡化設計過程。 有限衝激響應(FIR)濾波器設計: FIR濾波器具有綫性相位特性,這在許多對相位失真敏感的應用中尤為重要。本部分將重點介紹FIR濾波器設計的三種主流方法: 窗函數法(Windowing Method): 講解如何利用各種窗函數(如矩形窗、漢寜窗、海明窗、布萊剋曼窗等)截斷理想濾波器衝激響應,並分析不同窗函數對濾波器頻率響應和旁瓣的影響。 頻率采樣法(Frequency Sampling Method): 介紹通過直接指定濾波器在特定頻率點的幅度和相位響應來設計FIR濾波器的方法。 最優(Parks-McClellan)算法: 深入分析Parks-McClellan算法(也稱Remez交換算法),理解其如何通過迭代逼近設計齣最優的FIR濾波器,實現最優的幅度響應逼近。 同樣,本書將提供詳細的設計流程和示例,並強調FIR濾波器在相位綫性度方麵的優勢。 濾波器性能評估與選擇: 在掌握瞭多種濾波器設計方法後,如何根據具體應用需求選擇閤適的濾波器類型和參數是關鍵。本部分將指導讀者如何從以下幾個方麵評估濾波器性能: 幅度響應: 分析濾波器的通帶紋波、阻帶衰減、過渡帶寬度等。 相位響應: 重點分析FIR濾波器的綫性相位特性,以及IIR濾波器的非綫性相位特性及其影響。 延遲特性: 理解群延遲和相延遲的概念,以及它們對信號的影響。 計算復雜度: 評估不同濾波器類型和階數所需的計算量,特彆是在實時處理應用中。 通過對比分析,讀者將能夠根據信號特性、係統要求和資源限製,做齣最優的濾波器設計決策。 第三部分:濾波器實際實現與工程考量——從理論到電路闆 將理論設計轉化為實際可工作的濾波器,需要考慮諸多工程細節。本部分將聚焦於濾波器的實際實現,包括硬件和軟件方麵的挑戰。 數字濾波器硬件實現: DSP處理器與FPGA實現: 介紹如何在數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)等硬件平颱上實現數字濾波器。分析不同硬件平颱的特點、優缺點以及相應的開發工具和流程。 量化效應與數值精度: 深入探討數字濾波過程中由於數值錶示(定點與浮點)和運算所帶來的量化誤差、溢齣等問題,以及如何通過閤理的係數錶示、算法優化來減小這些效應。 高速濾波器的設計與優化: 針對需要處理高速信號的應用,介紹流水綫、並行處理等技術在濾波器設計中的應用,以提高處理速度和效率。 模擬濾波器實現與混疊現象: 有源與無源濾波器電路設計: 簡要迴顧模擬濾波器電路的基本設計原理,包括RC、RLC濾波器以及運算放大器構成的有源濾波器。 采樣定理與混疊: 詳細解釋采樣定理(Nyquist-Shannon采樣定理),以及在進行模數(A/D)轉換之前,如何使用抗混疊濾波器來防止高頻分量在采樣過程中被錯誤地錶示為低頻分量,造成混疊失真。 濾波器在實際係統中的應用案例: 通信係統: 在射頻(RF)前端、基帶信號處理中,濾波器用於抑製帶外乾擾、分離不同信道等。 音頻處理: 音頻均衡器、降噪算法等都離不開濾波器。 圖像處理: 圖像平滑、邊緣檢測等操作本質上也是一種空間濾波。 醫療設備: 生理信號(如心電圖、腦電圖)的濾波處理,去除僞跡,提取有用信息。 儀器儀錶: 測量信號的降噪、信號提取等。 通過分析這些實際案例,讀者將能更直觀地理解濾波器設計在各個領域的應用價值和技術挑戰。 第四部分:前沿技術與展望——未來的濾波之道 本部分將帶領讀者瞭解濾波器技術的前沿發展和未來趨勢,激發對新技術的探索。 自適應濾波器: 介紹自適應濾波器的工作原理,即濾波器係數能根據輸入信號的變化而自動調整,以適應時變的環境。重點講解LMS(最小均方)算法及其變種,並探討其在噪聲消除、迴聲消除等領域的應用。 多率濾波器(Multirate Filters): 講解多率濾波器在信號采樣率轉換(升采樣和降采樣)中的作用,以及如何在不引入額外失真的情況下,高效地改變信號的采樣率。 高級濾波器設計技術: 簡要介紹如小波變換(Wavelet Transform)等與濾波相關的信號處理技術,它們能夠提供比傳統傅裏葉變換更豐富的時間-頻率信息,並應用於更復雜的信號分析和處理。 濾波器設計的未來趨勢: 展望人工智能(AI)和機器學習(ML)在濾波器設計中的潛在應用,例如自動優化濾波器參數,或者基於數據驅動的濾波器設計方法。 本書特色: 理論與實踐並重: 兼顧瞭濾波理論的深度講解與實際工程應用的指導,力求理論聯係實際。 係統性與全麵性: 涵蓋瞭數字濾波器設計的主流方法,並對模擬濾波器和相關工程考量也有所涉獵。 易於理解的闡述: 采用清晰的語言和循序漸進的講解方式,適閤不同背景的讀者。 豐富的案例分析: 通過具體應用案例,幫助讀者理解濾波器在真實世界中的作用。 麵嚮工程的指導: 強調實際實現中的關鍵技術和需要注意的問題。 《精密濾波器的奧秘:從理論到實踐的深度探索》是一本集濾波理論、設計方法、實現技巧於一體的綜閤性著作,旨在幫助工程師、研究人員和學生深入理解濾波器的核心原理,掌握高效的濾波器設計工具,並能夠將所學知識成功應用於實際工程問題中,從而提升電子係統的性能和可靠性。無論您是初學者,還是希望深化濾波器知識的資深工程師,本書都將是您寶貴的參考資料。