滤波器:模拟滤波器和经典的低通滤波器

绝大多数的电路系统在设计的时候都是需要考虑抗干扰能力的,这种干扰的来源是多样性的,可能来自于电源,也可能来自于线路电磁干扰,甚至周围的设备产生的电磁都可能对系统带来干扰。所以如何设计一个抗干扰的系统用于滤除干扰带来的影响,就变得很重要了。
打个比方,一个有源系统使用的是外部蓄电池的方式进行供电,这个蓄电池它输出的电压一般都不是很纯洁的,除了电池的恒压输出外,往往还会掺杂一些变化性的杂波。这些杂波在整个传输的过程中会出现波动。如果输入到系统的时候不想办法滤除掉这些杂波,就有可能会对系统造成影响,严重还会导致系统的运行出现异常,甚至可能会损坏系统。
所以,滤波是重要而且很有必要的!
总而言之,滤波的作用是让指定的频段信号能够顺利通过,而其他频段的信号就衰减或者消除掉!
目前,常用的滤波方式有:模拟滤波、数字滤波。

1、 模拟滤波(硬件滤波)

模拟滤波一般指的是用模拟电子器件对干扰进行过滤的方式,讲简单点就是通过硬件搭建的电路进行的滤波,也就是传统意义上的滤波器电路。
模拟滤波的实现原理是利用电容、电感的容抗特性和感抗特性与频率的关系。即,模拟滤波的实现通常都是使用电容、电感、电阻之类的电子元器件搭建的电路来组成硬件滤波电路,以此进行杂波滤除的方法。
比如:
上图中是一个模块的电源输入部分,它的输入电压是24V,在输入端的时候会通过电容和稳压管进行一个稳压和滤波;通过LM2596进行减压到5V作给模块的其他元器件的工作电压,输出端也做了简单的滤波处理。

2、模拟电路中的有源和无源器件

模拟器件中根据元件器的自身使用条件,可以对模拟滤波再进行一个划分,可分为:无源滤波和有源滤波。
无源滤波:指的是使用无源的器件搭建的滤波电路。比如电容、电阻、磁珠、电感之类的无源器件。这里的无源指的是不需要额外加电源就可以工作的元器件。
有源滤波:指的是使用有源器件搭建起来的滤波电路。比如单极型管、双极型管、集成运放之类的有源器件。有源指的是这些器件的工作是需要额外加电源才能正常工作的元器件,比如集成运放。

3、经典的滤波电路

由于模拟滤波实在太多了,所以本文这里只说最简单的低通滤波器,作为对滤波器的基本了解,方便学习!
经典的滤波电路,也是最简单的滤波电路:RC滤波电路、LC滤波电路。
特别说明:低通滤波器和高通滤波器有什么区别?如下:
假设截至频率为fp,那么:
低通滤波器指的是:低于fp的频率能通过,高于fp的频率被衰减的滤波器;
高通滤波器指的是:高于fp的频率能通过,低于fp的频率被衰减的滤波器。

(1) RC滤波电路
RC滤波电路指的是用电阻R,电容C组成的滤波器,如下图所示:
RC滤波电路的特性:
1) 上限频率:如下
上限频率之前幅度变化是接近于0dB的,之后的幅度会按照斜率-20dB/十倍频。
2) 相位从0.1f处0度滞后 ~ 到10f处90度之后。
3) C的选取不能太小,否则负载电容对滤波电路的影响很大;C的值也不能太大,大电容的高频特性一般都较差,会影响滤波电路的高频特性。
4) R的取值过小会加大电源的负载,R的取值过大会消耗较多的能量。
RC滤波电路的优缺点:
优点:对低频信号的滤波效果比较好!
缺点:1)它不仅消耗希望被抑制的信号,也消耗我们希望保留的信号;
2)由于电容的高频特性的限制,RC滤波电路不能用在太高频的场合上,比如数Mhz以上的就不行了,得用LC滤波器了
(2) LC滤波电路
LC滤波电路由于它的滤波效果比RC要好,所以在和RC电路的比较中,它的应用就广泛很多。
LC滤波电路有好几种形式的,比如:L型、T型、梯形、K型。最简单的K型低通滤波器的电路如下图:
LC滤波电路的主要特点:
1)K型滤波电路也要考虑与RC滤波器一样的频率特性,以及阻抗匹配问题。
2)如果终端阻抗比滤波器特性阻抗小时,Q值小于1,特性曲线呈现圆弧状;终端阻抗比滤波器特性阻抗大时,特性曲线会产生尖峰。
LC滤波电路的优缺点:
优点:无源的LC滤波电路灵敏度低,稳定性好。
缺点:电感的元件体积都比较大,成本也高,而且还要考虑电感元件的磁屏蔽问题。

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