作者：Aiden Warne

低通和高通濾波器簡(jiǎn)介

低通和高通濾波器廣泛應(yīng)用于電氣工程領(lǐng)域。例如，這些低通和高通濾波器可用于音頻處理、圖像處理、通信系統(tǒng)，有時(shí)還可以用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。這些過濾器的作用正如其名稱所示。它們可以濾除高頻并讓低頻通過，也可以做相反的事情，濾除低頻并讓高頻通過。在這篇博客中，我將找到我正在使用的組件的給定高通和低通濾波器電路的波形。構(gòu)建電路后，我將比較頻率信號(hào)的波形與電路元件的波形，看看它們是否相同或異相。我將使用函數(shù)發(fā)生器和示波器來測(cè)量這些波形。

什么是低通濾波器和高通濾波器？

如前所述，低通濾波器和高通濾波器濾除低于截止頻率或高于截止頻率的頻率。該截止頻率由下面列出的等式確定，其中 R 是電阻器的電阻，C 是電容器的電容，2π 是常數(shù)。該截止頻率和元件的順序決定了電路如何響應(yīng)給定的輸入頻率。低通濾波器首先具有電阻器，然后是電容器。相反，高通濾波器先有電容器，然后有電阻器。如果輸入頻率大于截止頻率并且它是高通濾波器，則波形將不經(jīng)濾波而通過。如果輸入頻率小于截止頻率，那么波形將被過濾并且與輸入波形相比異相并且具有更低的幅度。對(duì)于低通濾波器而言，情況恰恰相反。

如何計(jì)算截止頻率

如上所述，截止頻率是低通或高通濾波器濾除頻率的頻率，其計(jì)算公式為：12RC。如上所述，R 是組件的電阻，C 是組件的電容。高通濾波器所需要的只是一個(gè)電容器、一個(gè)電阻器，當(dāng)然還有一些跳線和電源。在這個(gè)項(xiàng)目中，我使用了 3.3k 電阻器和 100 納法拉電容器。對(duì)于低通和高通濾波器，您實(shí)際上可以使用您想要的任何組件值。我使用這些特定組件是為了易于使用并獲得更好的截止頻率值。如下所示，我將我的值代入給定方程，得出截止頻率為 482.288Hz。這是電路在高通濾波器和低通濾波器之間進(jìn)行平衡的頻率。

您還可以使用 DigiKey 的[低通/高通濾波器計(jì)算器] 來查找這些值。

手工計(jì)算

模擬

Multisim 低通電路

這里，我使用了一個(gè)名為Multisim的電路仿真軟件。這樣，我能夠確認(rèn)我的手算，因?yàn)樵谶_(dá)到截止頻率 482.288Hz 后，較高的頻率確實(shí)被截止了。該圖顯示，低頻區(qū)域的振幅較高，但當(dāng)其跨過 482Hz 時(shí)，振幅開始逐漸減小并朝負(fù)方向移動(dòng)。首先將電阻器與電容器串聯(lián)，從而創(chuàng)建低通濾波器。連接到它的電源是函數(shù)發(fā)生器，發(fā)出脈沖，可以在示波器上看到波。您也可以使用高通濾波器來做到這一點(diǎn)。

物理電路構(gòu)建

低通 10Hz 3.3k 歐姆 100nF

在上圖中，低通濾波器電路構(gòu)建在面包板上。波形首先通過電阻器施加，然后通過電容器施加。所施加的輸入頻率小于截止頻率，因此濾波后的波形與輸入波形同相并且幅度沒有差異。根據(jù)我對(duì)低通濾波器的理解并將其與我的手算進(jìn)行比較，這是有道理的。

低通 1kHz 3.3k 歐姆 100nF

同樣，低通濾波器電路如上圖所示。這次，施加的輸入頻率大于截止頻率，因此濾波后的波形不同相，并且與輸入波形相比存在幅度差異。作為參考，藍(lán)色波形（施加的波形）為每格 2 伏，黃色波形（濾波后的信號(hào)）為每格 1 伏。根據(jù)我對(duì)低通濾波器的理解并將其與我的手算進(jìn)行比較，這是有道理的。

高通 4.4kHz 3.3k 歐姆 100nF

上圖中，高通濾波器電路構(gòu)建在面包板上。波形首先通過電容器施加，然后通過電阻器施加。這與低通濾波器相反。輸入頻率大于截止頻率；因此，與輸入波形相比，它將同相并且幅度沒有差異。根據(jù)我對(duì)高通濾波器的理解并與我的手算進(jìn)行比較，這是有道理的。

高通 10Hz 3.3k 歐姆 100nF

同樣，高通濾波器電路如上圖所示。這次應(yīng)用的輸入頻率小于截止頻率，因此濾波后的波形不同相，并且與輸入波形相比存在幅度差異。作為參考，藍(lán)色波形（施加的波形）為每格 2 伏，黃色波形（濾波后的信號(hào)）為每格 50 毫伏。根據(jù)我對(duì)低通濾波器的理解并將其與我的手算進(jìn)行比較，這是有道理的。

結(jié)果

在進(jìn)行模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，我得到了非常相似的波形，他們對(duì)它們應(yīng)該是的進(jìn)行了比較和匹配。低通濾波器的截止頻率為 482 Hz，允許 10 Hz 頻率通過，但不允許 1K Hz 通過，這正是我所期望的。高通濾波器也達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，高頻波排列在一起，而低頻波則沒有通過。

結(jié)論

總之，我能夠更好地了解低通和高通濾波器的工作原理，以及頻率截止如何與給定組件配合使用。當(dāng)組件翻轉(zhuǎn)時(shí)，我還能夠清楚地看到波形之間的異同。您可以使用電阻器和電容器的任意組合制作高通或低通濾波器，并可以使用我提供的等式計(jì)算出電路的截止頻率。這可以是一個(gè)有趣的小項(xiàng)目，任何人都可以用一些用品來完成，對(duì)于任何想要更多地了解電子頻率的人來說，這都是一個(gè)很好的小學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

審核編輯 黃宇