滤波电路学习笔记(一)——速通低通、高通、带通、带阻等滤波电路的基本认知

前言 :原稿写了一大段,感觉车轱辘话太多了,还是速通一下吧,本文作为初学者笔记内容,供遗忘时查阅,有不足或侵权之处,敬请指出。

一、基本概念与作用

滤波电路:对于信号频率具有选择性的电路,特定范围频率能通过,其他频率被阻止。形象理解请看下图👇👇👇(图示为理想情况,实际通带与阻带间有带有斜率的过渡带)

通带:允许通过的频段;

阻带:将信号衰减到0的频段;

低通:低于f_{p}的频率可以通过;

高通:高于f_{p}的频率可以通过;

带通:高于f_{p1},低于f_{p2}的频率可以通过;

带阻:低于f_{p1},高于f_{p2}的频率可以通过;

注:如何分析滤波电路:即是研究滤波电路的幅频特性,求解\dot{A_{up}}(通带放大倍数)、f_{p}和过渡带的斜率。

如,下图是低通滤波器的幅频特性曲线:

二、电路分类

(1)无源滤波电路

特点及用途:结构简单,易于设计。通常用于功率电路中,如直流电源整流后的滤波或大电流负载时的LC电路滤波,信号处理要求较低的场合。

(2)有源滤波电路

特点与应用:其主要形式是有源RC滤波,也被称为电子滤波器。其负载不影响滤波特性,因此常用于信号处理要求高的场合。但它必须在合适的直流电源供电的情况下使用,且设计较为复杂,故不适用于高电压或大电流的场合。

三、滤波电路的类型及特点

(1)低通滤波电路(Low Pass Filter)

### 滤波电路原理及应用 滤波电路种重要的电路,其核心功能在于过特定设计去除输入信号中的某些频率成分,从而实现所需的效果。以下是关于滤波电路的详细介绍: #### 滤波电路的作用 滤波电路的主要目的是消除不需要的频率分量,提升系统的性能和稳定性。具体来说,它有以下几个重要作用: - **滤波**:经过整流后的直流常会有脉动成分(例如馒头波),这会影响设备的工作效率和寿命。因此,滤波电路被用来平滑这种波动,提供更加稳定的直流输出[^1]。 - **信号滤波**:在子信号处理领域,滤波电路可以提取有用的信号频段,同时抑制干扰或噪声等无用部分。这对于提高通信质量以及数据采集精度至关重要。 #### 二、滤波电路的分类 根据工作特性和应用场景的不同,滤波电路可划分为多种类型: - **按频率响应划分** - 高通滤波(High-pass Filter): 只允许高于某设定阈值的频率过; - 滤波(Low-pass Filter): 让于某个固定界限内的频率顺利传输而止高频部分; - 滤波(Band-pass Filter): 同时具备高通特性, 能够让定范围内的中间频率正常传递; - 带阻滤波器 (Band-stop Filter 或 Notch Filter): 则相反地挡指定区间之外的所有其他频率. - **按照组成元件区分** - 无源滤波器: 使用(R), (L)(C),不依赖外部能源供即可完成操作;然而它们存在增益小于等于零的特点,并且难以调整参数。 - 有源滤波器: 结合运算放大器(OPAmp)及其他组件构建而成,能够提供额外的能量支持使得整体表现更为灵活可控,适合复杂精密场合下的运用. #### 三、MATLAB仿真分析 利用MATLAB软件平台可以帮助工程师快搭建虚拟环境来测试各种类型的滤波型及其行为特征。过对不同阶数、截止频率等因素的变化观察相应曲线变化趋势,进而优化实际硬件部署方案。这种方法不仅节约成本而且提高了研发效率。 ```matlab % MATLAB代码示例——简单的阶RC滤波拟 fs = 10e3; % Sampling frequency t = 0:1/fs:1; % Time vector from t=0 to t=1 second at fs Hz sampling rate f_in = 500; % Input signal frequency in Hertz Vin = sin(2*pi*f_in*t); % Generate input sine wave with amplitude of unity and freq f_in Hz R = 1e3; C = 1e-6; % Define resistor value R ohms & capacitor capacitance F farads respectively tau = R*C ; % Calculate time constant tau seconds Hw = @(omega)(1./(sqrt((j*omega*R*C).^2 +1))); % Transfer function definition as anonymous funciton handle omega rad/s variable freqs(Hw,linspace(-pi,+pi)); title('Bode Plot'); grid on; Vout = filter([1],[tau], Vin); subplot(2,1,1); plot(t,Vin,'b',t,Vout,'r--'); legend('Input Voltage','Output Voltage'); xlabel('Time(sec.)'); ylabel('Voltage(Volts)'); ``` 以上脚本展示了如何创建基本阶RC型别的过滤装置并过图形化方式呈现出来效果对比图样。
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