【導讀】簡(jiǎn)單的回答就是低通濾波器(lpf)允許低頻通過(guò)，同時(shí)阻斷高頻。最經(jīng)典的例子就是音頻系統中的低音。低通濾波器允許低音傳遞到大低音，而高通濾波器(hpf)允許高頻音傳遞到高音。甚至可能有一個(gè)帶通濾波器，允許中音(語(yǔ)音)信號傳遞到中音揚聲器。
問(wèn)：什么是低通濾波器?
簡(jiǎn)單的回答就是低通濾波器(lpf)允許低頻通過(guò)，同時(shí)阻斷高頻。最經(jīng)典的例子就是音頻系統中的低音。低通濾波器允許低音傳遞到大低音，而高通濾波器(hpf)允許高頻音傳遞到高音。甚至可能有一個(gè)帶通濾波器，允許中音(語(yǔ)音)信號傳遞到中音揚聲器。
在這個(gè)例子中，濾波器被用來(lái)減輕與揚聲器相關(guān)的物理效應。低音被傳遞到一個(gè)大型換能器，該換能器能夠移動(dòng)大量空氣以提供雷鳴般的低音，而高音則由較小的設備更好地產(chǎn)生。
為了充分理解濾波器的含義和操作，我們需要一個(gè)工作的心智模型來(lái)區分時(shí)間域和頻域。我們必須掌握用來(lái)描述變頻信號的語(yǔ)言，這樣我們才能設計并隨后評估濾波器的性能。
本文將指出這些基礎。它給出了一個(gè)理想的一階低通RC濾波器的仿真結果，然后總結了學(xué)生可能遇到的危險。具體來(lái)說(shuō)，就是濾波器在非理想元件的非理想環(huán)境中使用時(shí)所遇到的問(wèn)題。
濾波器賴(lài)以存在的基礎是什么?
傳統電子學(xué)課程介紹了介于分立晶體管放大器和運算放大器之間的濾波器。遺憾的是，我們沒(méi)有更多的時(shí)間來(lái)探索與頻域分析相關(guān)的豐富語(yǔ)言。事實(shí)上，很多學(xué)生會(huì )嘗試在沒(méi)有使用過(guò)頻譜分析儀的情況下描述濾波器。在一個(gè)相關(guān)的，也許同樣令人沮喪的情況下，您可能會(huì )參加數字邏輯課程，探索如何將低通(抗混疊濾波器)應用于A(yíng)DC。當你最終完成信號和系統課程時(shí)，情況可能會(huì )好轉。在那之前，請繼續閱讀這篇文章。
技術(shù)小貼士:
低通濾波器通常在模擬數字轉換器(ADC)之前使用。低通濾波器用作抗混疊濾波器，防止令人反感的失真形式。這種失真的原因與奈奎斯特采樣定理有關(guān)，該定理告訴我們，最高ADC輸入頻率必須小于采樣頻率的一半。例如，為語(yǔ)音頻率設計的系統可以具有6千赫的采樣率。任何高于3 千赫的音調都會(huì )導致信號失真。
毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)復雜的高爾迪結，很可能是你訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)頁(yè)面的原因。濾波器是一個(gè)具有挑戰性的概念，因為它們的應用需要許多相關(guān)但基本的概念，如頻域分析，帶寬，共振，諧波，傅立葉級數和分貝。每一個(gè)都很復雜，但可能會(huì )讓你覺(jué)得你是在從消防水管里喝水。
完整的解決方案超出了本文的范圍。代替。請允許我給你介紹一些有用的視頻。視頻1演示了在廚房中遇到的光譜。這是一個(gè)近乎完美的聲音介紹，為思考濾波器的方式奠定了基礎。第二個(gè)視頻是我的通信系統系列講座的一部分。它提供了多種思考頻譜的方式。它建立在之前的電路I和電路II相量計算的基礎上，并使用無(wú)線(xiàn)廣播探索帶寬。最后，它提出了一個(gè)涉及低通濾波器、高通、帶通和陷波濾波器的仿真。
理想低通濾波器的計算
設R = 1.0 kΩ， C = 0.1 uF。結果是-3dB截止約1.6 kHz。在線(xiàn)DigiKey低通濾波器計算器 ，如圖1所示。Multisim 頻率掃描的結果，結果在圖2中得到進(jìn)一步支持，圖2是使用線(xiàn)性標度呈現的。在這張圖中，可以看到幅度從輸入的1.0 V下降到輸出幅度的0.71 V。
圖 1 :R = 1 kΩ和C = 1 uF的DigiKey RC低通濾波器計算器的圖像。得到的截止頻率約為1.6 kHz。
圖 2： MultiSim頻率掃描的結果顯示，在截止頻率下，濾波器輸出幅度從1.0V下降到0.71V。
技術(shù)小貼士:
術(shù)語(yǔ)“截止”經(jīng)常被誤解。在低通濾波器的語(yǔ)境中，截止頻率是指輸出信號為輸入信號70.7%。這可以用分貝的形式表示為-3 dB。重要的是要認識到，信號在截止點(diǎn)處顯著(zhù)降低。實(shí)際的衰減逐漸從較低的頻率開(kāi)始。
當我們偏離理想低通濾波器時(shí)出現的問(wèn)題
在上一節中，我們在描述濾波器時(shí)小心翼翼地使用了“理想”一詞。這個(gè)術(shù)語(yǔ)適用于濾波器本身，也適用于濾波器的使用方式。至于濾波器，術(shù)語(yǔ)“理想”意味著(zhù)組件以理想的方式運行(請參閱技術(shù)小貼士)。至于輸出，我們假設濾波器與任何負載斷開(kāi)連接。換一種說(shuō)法，我們假設濾波器的輸出正在尋找一個(gè)無(wú)限的阻抗。
一個(gè)典型的錯誤是將濾波器的輸出輸入反相運放。假設這個(gè)放大器的增益為10，使用1.0 kΩ和10 kΩ電阻對?？紤]到運算放大器的虛擬地，濾波器將看到1 kΩ負載。對于低頻，濾波器輸出幅度不再統一。事實(shí)上，對于我們選擇的電阻，我們已經(jīng)形成了一個(gè)分壓器，在低頻時(shí)輸出減半。我們的截止頻率也發(fā)生了移位。無(wú)需解釋?zhuān)覀儜撝匦聦W(xué)習Thévenin的定理，開(kāi)始著(zhù)手進(jìn)行AC分析。
結論
這是理論與現實(shí)世界相遇的一個(gè)迷人的研究點(diǎn)。低通濾波器一點(diǎn)也不簡(jiǎn)單。在設計電路時(shí)，請牢記這些想法。也許這是許多人稱(chēng)之為藝術(shù)的原因。
文章來(lái)源：DigiKey得捷
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