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          聊聊低通濾波器這個(gè)迷人的研究點(diǎn)

          作者: 時(shí)間:2024-08-28 來(lái)源:Digikey 收藏

          Q
          A&問: 什么是?

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202408/462422.htm

          簡(jiǎn)單的回答就是(lpf)允許低頻通過,同時(shí)阻斷高頻。最經(jīng)典的例子就是音頻系統(tǒng)中的低音。允許低音傳遞到大低音,而高通濾波器(hpf)允許高頻音傳遞到高音。甚至可能有一個(gè)帶通濾波器,允許中音(語(yǔ)音)信號(hào)傳遞到中音揚(yáng)聲器。

          在這個(gè)例子中,濾波器被用來(lái)減輕與揚(yáng)聲器相關(guān)的物理效應(yīng)。低音被傳遞到一個(gè)大型換能器,該換能器能夠移動(dòng)大量空氣以提供雷鳴般的低音,而高音則由較小的設(shè)備更好地產(chǎn)生。

          為了充分理解濾波器的含義和操作,我們需要一個(gè)工作的心智模型來(lái)區(qū)分時(shí)間域和頻域。我們必須掌握用來(lái)描述變頻信號(hào)的語(yǔ)言,這樣我們才能設(shè)計(jì)并隨后評(píng)估濾波器的性能。

          本文將指出這些基礎(chǔ)。它給出了一個(gè)理想的一階低通RC濾波器的仿真結(jié)果,然后總結(jié)了學(xué)生可能遇到的危險(xiǎn)。具體來(lái)說(shuō),就是濾波器在非理想元件的非理想環(huán)境中使用時(shí)所遇到的問題。

          濾波器賴以存在的基礎(chǔ)是什么?

          傳統(tǒng)電子學(xué)課程介紹了介于分立晶體管放大器和運(yùn)算放大器之間的濾波器。遺憾的是,我們沒有更多的時(shí)間來(lái)探索與頻域分析相關(guān)的豐富語(yǔ)言。事實(shí)上,很多學(xué)生會(huì)嘗試在沒有使用過頻譜分析儀的情況下描述濾波器。在一個(gè)相關(guān)的,也許同樣令人沮喪的情況下,您可能會(huì)參加數(shù)字邏輯課程,探索如何將低通(抗混疊濾波器)應(yīng)用于ADC。當(dāng)你最終完成信號(hào)和系統(tǒng)課程時(shí),情況可能會(huì)好轉(zhuǎn)。在那之前,請(qǐng)繼續(xù)閱讀這篇文章。

          技術(shù)小貼士:


          低通濾波器通常在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)之前使用。低通濾波器用作抗混疊濾波器,防止令人反感的失真形式。這種失真的原因與奈奎斯特采樣定理有關(guān),該定理告訴我們,最高ADC輸入頻率必須小于采樣頻率的一半。例如,為語(yǔ)音頻率設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以具有6千赫的采樣率。任何高于3 千赫的音調(diào)都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。

          毫無(wú)疑問,這是一個(gè)復(fù)雜的高爾迪結(jié),很可能是你訪問這個(gè)頁(yè)面的原因。濾波器是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的概念,因?yàn)樗鼈兊膽?yīng)用需要許多相關(guān)但基本的概念,如頻域分析,帶寬,共振,諧波,傅立葉級(jí)數(shù)和分貝。每一個(gè)都很復(fù)雜,但可能會(huì)讓你覺得你是在從消防水管里喝水。

          完整的解決方案超出了本文的范圍。代替。請(qǐng)?jiān)试S我給你介紹一些有用的視頻。視頻1演示了在廚房中遇到的光譜。這是一個(gè)近乎完美的聲音介紹,為思考濾波器的方式奠定了基礎(chǔ)。第二個(gè)視頻是我的通信系統(tǒng)系列講座的一部分。它提供了多種思考頻譜的方式。它建立在之前的電路I和電路II相量計(jì)算的基礎(chǔ)上,并使用無(wú)線廣播探索帶寬。最后,它提出了一個(gè)涉及低通濾波器、高通、帶通和陷波濾波器的仿真。

          理想低通濾波器的計(jì)算

          教科書對(duì)低通濾波器的定義如下:設(shè)R = 1.0 kΩ, C = 0.1 uF。結(jié)果是-3dB截止約1.6 kHz。 在線DigiKey低通濾波器計(jì)算器 ,如圖1所示。 Multisim 頻率掃描的結(jié)果 ,結(jié)果在圖2中得到進(jìn)一步支持,圖2是使用線性標(biāo)度呈現(xiàn)的。在這張圖中,可以看到幅度從輸入的1.0 V下降到輸出幅度的0.71 V。圖 :R = 1 kΩ和C = 1 uF的DigiKey RC低通濾波器計(jì)算器的圖像。得到的截止頻率約為1.6 kHz。圖 2: MultiSim頻率掃描的結(jié)果顯示,在截止頻率下,濾波器輸出幅度從1.0V下降到0.71V。

          技術(shù)小貼士:


          術(shù)語(yǔ)“截止”經(jīng)常被誤解。在低通濾波器的語(yǔ)境中,截止頻率是指輸出信號(hào)為輸入信號(hào)70.7%。這可以用分貝的形式表示為-3 dB。重要的是要認(rèn)識(shí)到,信號(hào)在截止點(diǎn)處顯著降低。實(shí)際的衰減逐漸從較低的頻率開始。

          當(dāng)我們偏離理想低通濾波器時(shí)出現(xiàn)的問題

          在上一節(jié)中,我們?cè)诿枋鰹V波器時(shí)小心翼翼地使用了“理想”一詞。這個(gè)術(shù)語(yǔ)適用于濾波器本身,也適用于濾波器的使用方式。至于濾波器,術(shù)語(yǔ)“理想”意味著組件以理想的方式運(yùn)行(請(qǐng)參閱技術(shù)小貼士)。至于輸出,我們假設(shè)濾波器與任何負(fù)載斷開連接。換一種說(shuō)法,我們假設(shè)濾波器的輸出正在尋找一個(gè)無(wú)限的阻抗。

          一個(gè)典型的錯(cuò)誤是將濾波器的輸出輸入反相運(yùn)放。假設(shè)這個(gè)放大器的增益為10,使用1.0 kΩ和10 kΩ電阻對(duì)??紤]到運(yùn)算放大器的虛擬地,濾波器將看到1 kΩ負(fù)載。對(duì)于低頻,濾波器輸出幅度不再統(tǒng)一。事實(shí)上,對(duì)于我們選擇的電阻,我們已經(jīng)形成了一個(gè)分壓器,在低頻時(shí)輸出減半。我們的截止頻率也發(fā)生了移位。無(wú)需解釋,我們應(yīng)該重新學(xué)習(xí)Thévenin的定理,開始著手進(jìn)行AC分析。

          圖 3: MultiSim 頻率掃描的結(jié)果顯示當(dāng)濾波器加載 1k Ω負(fù)載時(shí)的顯著偏差這種頻率的變化具有嚴(yán)重的影響。例如,不理解這種理想?yún)^(qū)別的人可以為揚(yáng)聲器系統(tǒng)中的低音揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)交叉。我們可以看到,他們將對(duì)結(jié)果感到嚴(yán)重失望,因?yàn)轭l率和衰減水平遠(yuǎn)未達(dá)到理想水平。更糟糕的是,揚(yáng)聲器本身并沒有表現(xiàn)得特別好。例如,它具有物理共振,該共振根據(jù)外殼的阻尼而變化。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無(wú)功部件,從而改變?yōu)V波器上的負(fù)載。

          結(jié)論

          這是理論與現(xiàn)實(shí)世界相遇的一個(gè)迷人的研究點(diǎn)。低通濾波器一點(diǎn)也不簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)電路時(shí),請(qǐng)牢記這些想法。也許這是許多人稱之為藝術(shù)的原因。



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