低通濾波器的功能(如何調節低音炮的低通濾波器)
作為一個電子硬件工作者，怎么能不知道濾波器呢？那么到底什么是過濾呢？分享一篇科普文章~了解什么是RC低通濾波器，在哪里使用，可以幫助你更好地掌握實際高端電路設計 。本文將介紹濾波的概念，并詳細說明RC低通濾波器的用途和特點 。
時域和頻域
當你看示波器上的電信號時，你會看到一條線，顯示電壓隨時間的變化 。在任何給定時間，信號只有一個電壓值 。你在示波器上看到的是信號的時域表示 。
典型的示波器跟蹤顯示非常直觀，但也有一定的局限性，因為它不直接顯示信號的頻率內容 。與時域表示相反，它是頻域，其中一個時間只對應一個電壓值 。頻域表示(也稱為頻譜)通過識別同時存在的各種頻率分量來傳達關于信號的信息 。
以及正弦波和方波的時域表示(下圖) 。
以及正弦波和方波的頻域表示(下圖) 。什么是過濾器？
濾波器是一種去除或“濾除”特定范圍頻率成分的電路 。換句話說，它把信號的頻譜分成要通過的頻率分量和要阻塞的頻率分量 。
如果你沒有太多的頻域分析經驗，你可能仍然不確定這些頻率分量是什么，以及它們如何共存于不能同時具有多個電壓值的信號中 。讓我們看一個有助于澄清這個概念的簡單例子 。
假設我們有一個由完美的5千赫正弦波組成的音頻信號 。我們知道正弦波在時域是什么，在頻域只能看到5 kHz的頻率“峰值” 。現在假設我們激活一個500千赫的振蕩器，將高頻噪聲引入音頻信號 。
示波器上看到的信號仍然只是一個時刻都有值的電壓序列，但信號看起來會不一樣，因為它的時域變化現在必須反映5 kHz正弦波和高頻噪聲波動 。
然而，在頻域中，正弦波和噪聲是同時存在于該信號中的獨立頻率成分 。正弦波和噪聲占據了信號頻域表示的不同部分(如下圖所示)，這意味著我們可以通過引導信號通過低頻并阻斷高頻電路來濾除噪聲 。
過濾器類型
根據濾波器頻率響應的一般特性，可以將濾波器歸為一大類 。如果濾波器通過低頻，阻斷高頻，稱為低通濾波器；如果它阻擋低頻而通過高頻，它就是一個高通濾波器 。還有只通過相對較窄頻率范圍的帶通濾波器，以及只阻擋相對較窄頻率范圍的帶阻濾波器 。
濾波器也可以根據用于實現電路的元件類型進行分類 。無源濾波器使用電阻、電容和電感 。這些元件沒有提供放大的能力，因此無源濾波器只能維持或降低輸入信號的幅度 。另一方面，有源濾波器不僅可以過濾信號，還可以施加增益，因為它包括晶體管或運算放大器等有源元件 。
這種有源低通濾波器基于流行的薩倫-基拓撲 。
本文將討論無源低通濾波器的分析和設計 。這些電路在各種系統和應用中發揮著重要作用 。
RC低通濾波器
為了創建無源低通濾波器，我們需要將電阻元件與電抗元件相結合 。換句話說，我們需要一個由電阻和電容或電感組成的電路 。理論上，電阻電感低通拓撲在濾波能力上與阻容低通拓撲相當 。但實際上，電阻電容方案更為常見，因此本文的其余部分將重點討論RC低通濾波器 。
RC低通濾波器 。
如圖所示，RC低通響應可以通過將一個電阻與信號路徑串聯，將一個電容與負載并聯來產生 。在圖中，負載是單個元件，但在實際電路中，它可能更復雜，例如模數轉換器、放大器或示波器的輸入級，用于測量濾波器的響應 。
如果我們意識到電阻和電容組成一個頻率相關的分壓器，我們就可以直觀地分析RC低通拓撲的濾波作用 。
重新繪制RC低通濾波器，使其看起來像一個分壓器 。
當輸入信號的頻率較低時，電容的阻抗高于電阻的阻抗；因此，大部分輸入電壓會通過電容(以及與電容并聯的負載)下降 。當輸入頻率較高時，電容的阻抗低于電阻的阻抗，這意味著電阻兩端的電壓降低，傳遞給負載的電壓減少 。因此，低頻通過，高頻被阻擋 。
這種對RC低通函數的定性解釋是重要的第一步，但當我們需要實際設計電路時，它并不是很有用，因為“高頻”和“低頻”這兩個術語非常模糊 。工程師需要創造能通過和阻斷特定頻率的電路 。例如，在上述音頻系統中，我們希望保持5kHz信號，抑制500kHz信號 。這意味著我們需要一個濾波器來從5千赫到500千赫轉換到阻塞 。
截止頻率
濾波器不引起顯著衰減的頻率范圍稱為通帶，濾波器引起顯著衰減的頻率范圍稱為阻帶 。模擬濾波器，如RC低通濾波器，總是從通帶逐漸過渡到阻帶 。這意味著不可能識別濾波器停止傳輸信號并開始阻塞信號的頻率 。然而，工程師需要一種方便簡潔的方法來總結濾波器的頻率響應，這就是截止頻率概念的作用所在 。
