低通滤波器原理及低通滤波器在仪表上的应用
网络整理 2022-11-23
滤波器可以定义为:它是一种用于重塑,修改和阻断所有不需要的频率的电路。通常,在低频(<100kHz)应用中,无源滤波器使用电阻和电容组成。因此它被称为无源RC滤波器。同样,对于高频(>100kHz信号,无源滤波器可以设计为电阻-电感-电容组合。因此,这些电路被称为无源RLC电路。通常使用三种滤波器设计:低通滤波器,高通滤波器和带通滤波器,本文讨论低通滤波器在上的应用。

什么是低通滤波器
低通滤波器(LPF) 的定义是一种用于传递低频信号,衰减高频信号的滤波器。低通滤波器的频率响应主要取决于低通滤波器的设计以下是各型LPF介绍。

一阶低通滤波器
图中显示了一阶LPF,请注意,积分器是LPF的基本构建块。
一阶低通滤波器
一阶低通滤波器

低通滤波器传递函数是:输出与频率成反比减小(衰减)。如果频率加倍输出是一半(每增加一倍频率为-6dB)。

二阶低通滤波器
如下图所示为二阶低通滤波器。
二阶低通滤波器
二阶低通滤波器

输出与频率的平方成反比地减小(衰减),如果频率加倍输出。(-每增加一倍频率为12dB)。

采用运算放大器的低通滤波器
运算放大器的反馈环路可以与滤波器的基本元件结合使用,因此,通过使用除电感器之外的所需组件,可以轻松形成高性能LPF。 
 
采用运算放大器的一阶有源LPF电路
单极有源低通滤波器如下所示。使用运算放大器的低通滤波器电路在反馈电阻两端使用电容。当频率增加以增强反馈电平,电容器的无功阻抗下降时,该电路具有更好的效果。
采用运算放大器的一阶低通滤波器            采用运算放大器的一阶低通滤波器1
采用运算放大器的一阶低通滤波器


可以通过处理电容的电抗等于电阻的频率来完成该滤波器的计算。这可以通过使用以下公式获得:Xc=1/πfC,公式中
Xc是以欧姆为单位的容抗;π是标准字母,其值为3.412;f是频率(单位:Hz);C是电容(Units-Farads)。通过消除电容器的影响,可以以简单的方式计算这些电路的带内增益。由于这些类型的电路有助于降低高频增益,并且为每个倍频程提供-6dB的衰减,因此,这种滤波器被称为一阶或单极低通滤波器。

采用运算放大器的二阶有源LPT电路
通过使用运算放大器,可以设计具有不同增益水平的宽范围滤波器以及衰减模型。
采用运算放大器的二阶有源LPF电路
采用运算放大器的二阶有源LPF电路

其中:R1=R2,C1=C2,f=1-√4πRC2。在选择值时,请确保电阻值在10千欧姆至100千欧姆的范围内。

低通滤波计算器
对于RC低通滤波器电路,通过计算交叉频率并绘制相应的图谱,其被称为波特图。例如:如果我们知道电路中电阻和电容的值,则可以使用以下公式计算低通滤波器传递函数:Vout(s)/Vin(s) 1/CR/s 1/CR, 计算给定电阻的频率值以及电容值:fc=1/2πRC
LPF波形
LPF波形

 
低通滤波器应用

低通滤波器的应用包括:
◆低通滤波器用于电话系统,用于将扬声器中的音频频率转换为带限语音频带信号。
◆LPF用于过滤来自电路的高频信号,称为“噪声”,当信号通过该滤波器时,大部分高频信号被消。
◆图像处理中的低通滤波器用于增强图像。
◆有时这些滤波器由于音频应用。
◆低通滤波器用于RC电路,RC电路称为RC低通滤波器。
◆LPF用作RC电路的积分器。
◆在多速率DSP中,在执行内插器时,LPF用作反成像滤波器。类似地,当执行抽取器时,该滤波器用作抗混叠滤波器。
◆低通滤波器用于来自人体的医疗设备的信号,而使用电极的测试频率较低。因此,这些信号可以流过LPF,以消除一些不需要的环境声音。
◆这些滤波器用于转换占空比幅度以及锁相环中的相位检测。
◆LPF在AM无线电中用于二极管检测器,以将AM调制的中频信号改变为音频信号。
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