你需要了解的RC低通滤波器

laoxiang21

滤波电路是我们在设计电路时随处可见的，尤其是简单的RC低通滤波器，我们在信号输入、输出都会随手放置一个；因为太常见，反而我觉得自己理解得不深刻，今天好好学习总结下。


滤波电路有很多，今天只聚焦于常见的RC低通滤波。什么是滤波器滤波器是指一个电路，它能够去除掉人为指定的某个频率范围的信号分量；因为模拟信号的频率分量很丰富，但我们只想要其中一小部分内容，其他的对我们来讲都是噪声，滤波器就是用来滤除噪声的。滤波器分了好多种，低通滤波器LPF是其中的一种。（图片来源于网络）


LPF的截止频率定义
标准答案为：当保持输入信号的幅值不变，通过改变输入信号频率，当出现输出信号降至输入信号幅值的0.707倍（-3dB）时，此时对应的频率称为这个滤波器的截止频率。


这里插一句，在电子电路中，使用分贝dB来表达增益，例如电压、电流增益，功率增益，它是一个表征相对值大小的量；具体的计算公式为下式对数形式，注意功率增益前面是X10，而电压、电流为X20。


然后实际验证一下截止频率下的增益：20lg(0.707)=-3.011dB，结果正确。RC低通滤波器截止频率由无源元件（电阻、电容、电感）组成的滤波电路，称为无源滤波电路，典型的RC低通滤波器如下：


它的截止频率计算如下（公式不容易显示，所以改成图片）：


在时域中分析RC电路，更多使用时间常数，而在频域中，则更多使用截止频率。验证仿真一下，在下图中，电阻为1KΩ，电容为1uF，根据上面公式可以得到它的截止频率为159Hz。


然后看一下它的波特图：从下图中可以清晰看见，在频率159Hz处，对应的增益正好为-3dB；另外，截止频率右侧的增益逐渐降低，代表随着频率升高，滤波器对信号幅值的衰减作用。


相位图如下：


在使用RC低通滤波器时，我们要清晰知道它的截止频率，是否会影响我们想要的信号幅值。下图为300Hz的正弦波输入信号，以及经过上面RC滤波器后的输出信号，发现幅值和相位发生了明显变化。


下图为30Hz的正弦波输入信号，以及经过上面RC滤波器后的输出信号，发现只有相位发生了变化，幅值基本没有被影响，这两个例子明显看出来滤波器在起作用。


再深入一些，其实正弦波是一个特例，我们看一下30Hz的方波信号，输入输出如下图所示，发现输出信号波形发生了明显改变。


这是因为，虽然方波信号在时域中看起来是一个单纯的30Hz周期信号，但是它的频谱分量却很丰富（可以看一下傅里叶级数展开），实际上包括了许多高频信号，所以在经过同一个滤波器后，高频分量被滤除，波形自然就发生了变化，而正弦波的频谱比较单纯。总结：这次主要提到了一阶LPF，实际还有二阶、三阶等等，高阶可以实现让波特图中的过渡时间更短，更接近理想的滤波器，但也就更复杂；以上所有，仅供参考。

了解您的需求，以下是对RC低通滤波器的专业回复：

RC低通滤波器是滤波电路中的一种，主要用于滤除不需要的高频噪声，保留所需的低频信号。其工作原理基于电容和电阻的组合，实现对特定频率信号的衰减。截止频率是低通滤波器的重要参数，定义为保持输入信号幅度响应下降到输入信号幅度响应的某一比例（如70%）时的频率。选择合适的截止频率是实现滤波器功能的关键。在实际应用中，RC低通滤波器的设计需考虑电路元件的精度、温度稳定性及实际应用环境。希望通过深入学习，您能对RC低通滤波器有更深入的理解。