滤波器原理及其作用 滤波器电路图分析

滤波器是一种电子设备或算法，用于从信号中去除不需要的频率成分，只保留所需的频率成分。滤波器在许多领域都有广泛应用，如通信、音频处理、图像处理、信号处理等。

滤波器的基本原理是通过选择性地传递或阻止信号中的不同频率成分。这可以通过多种方式实现，包括模拟滤波器和数字滤波器。

滤波器的原理

1. 频率响应概念
   • 滤波器对不同频率信号的响应
   • 频率选择性和衰减的概念
2. 滤波器的工作原理
   • 利用电容和电感对不同频率信号的阻抗差异
   • 电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的特性
3. 滤波器的分类
   • 低通滤波器
     • 定义：允许低频信号通过，阻塞高频信号
     • 原理：利用电容和电感对频率的阻抗差异
     • 应用：去除高频噪声，保留基础信号
     • 实例：RC低通滤波器，其转折频率的计算公式
   • 高通滤波器
     • 定义：允许高频信号通过，阻塞低频信号
     • 原理：与低通滤波器相反，适用于去除低频噪声
     • 应用：突出高频信号
   • 带通滤波器
     • 定义：允许特定频率范围内的信号通过
     • 原理：通过调整电容和电感的组合实现
     • 应用：选择性地传递特定频率范围的信号
   • 带阻滤波器
     • 定义：阻止特定频率范围内的信号通过
     • 原理：与带通滤波器相反
     • 应用：滤除特定频率的干扰信号

滤波器的作用

滤波器在各种应用中发挥着重要作用，以下是一些主要作用：

1. 噪声抑制 ：滤波器可以有效地去除信号中的噪声，提高信号的质量。
2. 信号分离 ：在多信号环境中，滤波器可以帮助分离出感兴趣的信号。
3. 特征提取 ：在图像和音频处理中，滤波器可以提取信号的特征，如边缘、纹理等。
4. 数据压缩 ：通过去除信号中的高频成分，滤波器可以减少数据量，实现数据压缩。
5. 信号整形 ：滤波器可以改变信号的形状，如平滑、锐化等。

滤波电路种类

滤波电路主要有下列几种：

• 电容滤波电路，这是最基本的滤波电路；
• π 型 RC 滤波电路；
• π 型 LC 滤波电路；
• 电子滤波器电路。

滤波原理

单向脉动性直流电压的特点

如下图所示。是单向脉动性直流电压波形，从图中可以看出，电压的方向性无论在何时都是一致的， 但在电压幅度上是波动的，就是在时间轴上，电压呈现出周期性的变化，所以是脉动性的。

但根据波形分解原理可知，这一电压可以分解一个直流电压和一组频率不同的交流电压，如下图所示。在图中，虚线部分是单向脉动性直流电压 U。中的直流成分，实线部分是 UO 中的交流成分。

电容滤波原理

根据以上的分析，由于单向脉动性直流电压可分解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中，利用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性，或者利用电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。

下图 (a)为整流电路的输出电路。交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电，即电路中的 UO。

下图 (b)为电容滤波电路。由于电容 C1 对直流电相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C1 到地，只有加到负载 RL 图为 RL 上。对于整流电路输出的交流成分， 因 C1 容量较大， 容抗较小，交流成分通过 C1 流到地端，而不能加到负载 RL。这样，通过电容 C1 的滤波， 从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压 +U。

滤波电容 C1 的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好。

电感滤波原理

下图所示是电感滤波原理图。由于电感 L1 对直流电相当于通路，这样整流电路输出的直流电压直接加到负载 RL 上。

对于整流电路输出的交流成分，因 L1 电感量较大，感抗较大，对交流成分产生很大的阻碍作用，阻止了交流电通过 C1 流到加到负载 RL。这样，通过电感 L1 的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压 +U。

滤波电感 L1 的电感量越大，对交流成分的感抗越大，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好，但直流电阻也会增大。

π 型 RC滤波电路识图方法

下图所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只滤波电容，R1 和 R2 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路， C2、R2 和 C3 构成 第二节 π 型 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同希腊字母 π 和采用了电阻器、电容器，所以称为 π 型 RC 滤波电路。

π 型 RC 滤波电路原理如下：

（1）这一电路的滤波原理是：从整流电路输出的电压首先经过 C1 的滤波，将大部分的交流成分滤除，然后再加到由 R1 和 C2 构成的滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成一个分压电路，因 C2 的容抗很小，所以对交流成分的分压衰减量很大，达到滤波目的。对于直流电而言，由于 C2 具有隔直作用，所以 R1 和 C2 分压电路对直流不存在分压衰减的作用，这样直流电压通过 R1 输出。

（2）在 R1 大小不变时，加大 C2 的容量可以提高滤波效果，在 C2 容量大小不变时，加大 R1 的阻值可以提高滤波效果。但是，滤波电阻 R1 的阻值不能太大，因为流过负载的直流电流要流过 R1，在 R1 上会产生直流压降，使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大，或流过负载的电流越大时，在 R1 上的压降越大，使直流输出电压越低。

（3）C1 是第一节滤波电容，加大容量可以提高滤波效果。但是 C1 太大后，在开机时对 C1 的充电时间很长，这一充电电流是流过整流二极管的，当充电电流太大、时间太长时，会损坏整流二极管。所以采用这种 π 型 RC 滤波电路可以使 C1 容量较小，通过合理设计 R1 和 C2 的值来进一步提高滤波效果。

（4）这一滤波电路中共有 3 个直流电压输出端，分别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中， Uo1 只经过电容 C1 滤波；Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波，所以滤波效果更好， Uo2 中的交流成分更小；Uo3 则经过了 2 节滤波电路的滤波，滤波效果最好，所以 Uo3 中的交流成分最少。

（5）3 个直流输出电压的大小是不同的。Uo1 电压最高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中；Uo2 电压稍低，这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降；Uo3 电压最低，这一电压一般供给前级电路作为直流工作电压，因为前级电路的直流工作电压比较低，且要求直流工作电压中的交流成分少。

π型 LC滤波电路识图方法

下图所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。这一电路只是将滤波电阻换成滤波电感，因为滤波电阻对直流电和交流电存在相同的电阻，而滤波电感对交流电感抗大，对直流电的电阻小，这样既能提高滤波效果，又不会降低直流输出电压。

在下图的电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压先经电容 C1 滤波，去掉大部分交流成分，然后再加到 L1 和 C2 滤波电路中。

对于交流成分而言， L1 对它的感抗很大，这样在 L1 上的交流电压降大，加到负载上的交流成分小。

对直流电而言， 由于 L1 不呈现感抗， 相当于通路，同时滤波电感采用的线径较粗，直流电阻很小，这样对直流电压基本上没有电压降，所以直流输出电压比较高，这是采用电感滤波器的主要优点。

滤波器在不同领域的应用

1. 通信领域
   • 滤波器在通信系统中抑制杂散信号、滤除噪声，提高信号质量和传输效率
2. 音频领域
   • 滤波器在音频设备中调整频率响应，提高音质
3. 图像处理领域
   • 图像滤波器用于图像去噪、边缘检测等图像处理任务
4. 生物医学领域
   • 滤波器在生物信号采集、滤除噪声、提取特定频率成分等方面发挥重要作用
5. 雷达与无线电领域
   • 滤波器在雷达和无线电系统中抑制杂散信号、滤除干扰，提高信号分辨率
     滤波器是一种重要的电子设备和算法，通过选择性地传递或阻止信号中的不同频率成分，实现信号的净化和特征提取。滤波器的设计和应用涉及多个领域，包括电子工程、信号处理、图像处理等。随着技术的发展，滤波器将继续在各种应用中发挥重要作用。