濾波器原理及其作用 濾波器電路圖分析

濾波器是一種電子設備或算法，用于從信號中去除不需要的頻率成分，只保留所需的頻率成分。濾波器在許多領域都有廣泛應用，如通信、音頻處理、圖像處理、信號處理等。

濾波器的基本原理是通過選擇性地傳遞或阻止信號中的不同頻率成分。這可以通過多種方式實現(xiàn)，包括模擬濾波器和數(shù)字濾波器。

濾波器的原理

1. 頻率響應概念
   • 濾波器對不同頻率信號的響應
   • 頻率選擇性和衰減的概念
2. 濾波器的工作原理
   • 利用電容和電感對不同頻率信號的阻抗差異
   • 電容通高頻阻低頻、電感通低頻阻高頻的特性
3. 濾波器的分類
   • 低通濾波器
     • 定義：允許低頻信號通過，阻塞高頻信號
     • 原理：利用電容和電感對頻率的阻抗差異
     • 應用：去除高頻噪聲，保留基礎信號
     • 實例：RC低通濾波器，其轉折頻率的計算公式
   • 高通濾波器
     • 定義：允許高頻信號通過，阻塞低頻信號
     • 原理：與低通濾波器相反，適用于去除低頻噪聲
     • 應用：突出高頻信號
   • 帶通濾波器
     • 定義：允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過
     • 原理：通過調(diào)整電容和電感的組合實現(xiàn)
     • 應用：選擇性地傳遞特定頻率范圍的信號
   • 帶阻濾波器
     • 定義：阻止特定頻率范圍內(nèi)的信號通過
     • 原理：與帶通濾波器相反
     • 應用：濾除特定頻率的干擾信號

濾波器的作用

濾波器在各種應用中發(fā)揮著重要作用，以下是一些主要作用：

1. 噪聲抑制 ：濾波器可以有效地去除信號中的噪聲，提高信號的質量。
2. 信號分離 ：在多信號環(huán)境中，濾波器可以幫助分離出感興趣的信號。
3. 特征提取 ：在圖像和音頻處理中，濾波器可以提取信號的特征，如邊緣、紋理等。
4. 數(shù)據(jù)壓縮 ：通過去除信號中的高頻成分，濾波器可以減少數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。
5. 信號整形 ：濾波器可以改變信號的形狀，如平滑、銳化等。

濾波電路種類

濾波電路主要有下列幾種：

• 電容濾波電路，這是最基本的濾波電路；
• π 型 RC 濾波電路；
• π 型 LC 濾波電路；
• 電子濾波器電路。

濾波原理

單向脈動性直流電壓的特點

如下圖所示。是單向脈動性直流電壓波形，從圖中可以看出，電壓的方向性無論在何時都是一致的， 但在電壓幅度上是波動的，就是在時間軸上，電壓呈現(xiàn)出周期性的變化，所以是脈動性的。

但根據(jù)波形分解原理可知，這一電壓可以分解一個直流電壓和一組頻率不同的交流電壓，如下圖所示。在圖中，虛線部分是單向脈動性直流電壓 U。中的直流成分，實線部分是 UO 中的交流成分。

電容濾波原理

根據(jù)以上的分析，由于單向脈動性直流電壓可分解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中，利用電容器的“隔直通交”的特性和儲能特性，或者利用電感“隔交通直”的特性可以濾除電壓中的交流成分。

下圖 (a)為整流電路的輸出電路。交流電壓經(jīng)整流電路之后輸出的是單向脈動性直流電，即電路中的 UO。

下圖 (b)為電容濾波電路。由于電容 C1 對直流電相當于開路，這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C1 到地，只有加到負載 RL 圖為 RL 上。對于整流電路輸出的交流成分， 因 C1 容量較大， 容抗較小，交流成分通過 C1 流到地端，而不能加到負載 RL。這樣，通過電容 C1 的濾波， 從單向脈動性直流電中取出了所需要的直流電壓 +U。

濾波電容 C1 的容量越大，對交流成分的容抗越小，使殘留在負載 RL 上的交流成分越小，濾波效果就越好。

電感濾波原理

下圖所示是電感濾波原理圖。由于電感 L1 對直流電相當于通路，這樣整流電路輸出的直流電壓直接加到負載 RL 上。

對于整流電路輸出的交流成分，因 L1 電感量較大，感抗較大，對交流成分產(chǎn)生很大的阻礙作用，阻止了交流電通過 C1 流到加到負載 RL。這樣，通過電感 L1 的濾波，從單向脈動性直流電中取出了所需要的直流電壓 +U。

濾波電感 L1 的電感量越大，對交流成分的感抗越大，使殘留在負載 RL 上的交流成分越小，濾波效果就越好，但直流電阻也會增大。

π 型 RC濾波電路識圖方法

下圖所示是 π 型 RC 濾波電路。電路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只濾波電容，R1 和 R2 是濾波電阻，C1、R1 和C2 構成第一節(jié) π 型的 RC 濾波電路， C2、R2 和 C3 構成 第二節(jié) π 型 RC 濾波電路。由于這種濾波電路的形式如同希臘字母 π 和采用了電阻器、電容器，所以稱為 π 型 RC 濾波電路。

π 型 RC 濾波電路原理如下：

（1）這一電路的濾波原理是：從整流電路輸出的電壓首先經(jīng)過 C1 的濾波，將大部分的交流成分濾除，然后再加到由 R1 和 C2 構成的濾波電路中。C2 的容抗與 R1 構成一個分壓電路，因 C2 的容抗很小，所以對交流成分的分壓衰減量很大，達到濾波目的。對于直流電而言，由于 C2 具有隔直作用，所以 R1 和 C2 分壓電路對直流不存在分壓衰減的作用，這樣直流電壓通過 R1 輸出。

（2）在 R1 大小不變時，加大 C2 的容量可以提高濾波效果，在 C2 容量大小不變時，加大 R1 的阻值可以提高濾波效果。但是，濾波電阻 R1 的阻值不能太大，因為流過負載的直流電流要流過 R1，在 R1 上會產(chǎn)生直流壓降，使直流輸出電壓 Uo2 減小。R1 的阻值越大，或流過負載的電流越大時，在 R1 上的壓降越大，使直流輸出電壓越低。

（3）C1 是第一節(jié)濾波電容，加大容量可以提高濾波效果。但是 C1 太大后，在開機時對 C1 的充電時間很長，這一充電電流是流過整流二極管的，當充電電流太大、時間太長時，會損壞整流二極管。所以采用這種 π 型 RC 濾波電路可以使 C1 容量較小，通過合理設計 R1 和 C2 的值來進一步提高濾波效果。

（4）這一濾波電路中共有 3 個直流電壓輸出端，分別輸出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三組直流電壓。其中， Uo1 只經(jīng)過電容 C1 濾波；Uo2 則經(jīng)過了 C1、 R1 和 C2 電路的濾波，所以濾波效果更好， Uo2 中的交流成分更??；Uo3 則經(jīng)過了 2 節(jié)濾波電路的濾波，濾波效果最好，所以 Uo3 中的交流成分最少。

（5）3 個直流輸出電壓的大小是不同的。Uo1 電壓最高，一般這一電壓直接加到功率放大器電路，或加到需要直流工作電壓最高、工作電流最大的電路中；Uo2 電壓稍低，這是因為電阻 R1 對直流電壓存在電壓降；Uo3 電壓最低，這一電壓一般供給前級電路作為直流工作電壓，因為前級電路的直流工作電壓比較低，且要求直流工作電壓中的交流成分少。

π型 LC濾波電路識圖方法

下圖所示是 π 型 LC 濾波電路。π 型 LC 濾波電路與 π 型 RC 濾波電路基本相同。這一電路只是將濾波電阻換成濾波電感，因為濾波電阻對直流電和交流電存在相同的電阻，而濾波電感對交流電感抗大，對直流電的電阻小，這樣既能提高濾波效果，又不會降低直流輸出電壓。

在下圖的電路中，整流電路輸出的單向脈動性直流電壓先經(jīng)電容 C1 濾波，去掉大部分交流成分，然后再加到 L1 和 C2 濾波電路中。

對于交流成分而言， L1 對它的感抗很大，這樣在 L1 上的交流電壓降大，加到負載上的交流成分小。

對直流電而言， 由于 L1 不呈現(xiàn)感抗， 相當于通路，同時濾波電感采用的線徑較粗，直流電阻很小，這樣對直流電壓基本上沒有電壓降，所以直流輸出電壓比較高，這是采用電感濾波器的主要優(yōu)點。

濾波器在不同領域的應用

1. 通信領域
   • 濾波器在通信系統(tǒng)中抑制雜散信號、濾除噪聲，提高信號質量和傳輸效率
2. 音頻領域
   • 濾波器在音頻設備中調(diào)整頻率響應，提高音質
3. 圖像處理領域
   • 圖像濾波器用于圖像去噪、邊緣檢測等圖像處理任務
4. 生物醫(yī)學領域
   • 濾波器在生物信號采集、濾除噪聲、提取特定頻率成分等方面發(fā)揮重要作用
5. 雷達與無線電領域
   • 濾波器在雷達和無線電系統(tǒng)中抑制雜散信號、濾除干擾，提高信號分辨率
     濾波器是一種重要的電子設備和算法，通過選擇性地傳遞或阻止信號中的不同頻率成分，實現(xiàn)信號的凈化和特征提取。濾波器的設計和應用涉及多個領域，包括電子工程、信號處理、圖像處理等。隨著技術的發(fā)展，濾波器將繼續(xù)在各種應用中發(fā)揮重要作用。