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CR · 滤波器

陷波滤波器与带阻

带通只通过一条带。它的正反面——挑出一个频率扔掉、通过其余的滤波器——就是陷波。只需在同一个串联RLC中改变取输出的位置。学习在谐振时串联LC变为短路、把输出降到零的原理。

谐振时输出沉到零

在串联RLC上扫频。这次从串联的 L 与 C 两端一起取输出。LC 的阻抗为 j(ωL − 1/ωC),即两个电抗之差。在谐振 ω_0 = 1/√(LC) 处该差为零,LC 表现得像短路,所以其两端输出深深沉到零。找出输出下落最深的陷波频率。

频率 ω/ω_0ω/ω_0 = 0.32
输出 |H|(谐振时最小)
|H| = 1.00
离陷波很远

在哪取输出决定滤波器

即使是同一个串联RLC,在哪个元件两端取输出,滤波器的种类就不同。在电阻两端是谐振处最大通过的带通。在电容两端是低通,在电感两端是高通。这次把串联的 L 与 C 看作一组,从其两端取输出。LC 组的阻抗是电感的 +jωL 加电容的 −j/ωC,即 j(ωL − 1/ωC),随频率剧烈变化。

谐振时LC是短路

在谐振 ω_0 = 1/√(LC) 处 ωL = 1/ωC,LC 组的阻抗恰好为零。串联LC像短路一样。从该短路两端取输出,短路上没有电压,所以输出在谐振处深深沉到零。这个深谷就是陷波。远离谐振时两个电抗之差增大,LC 阻抗增大,电压大部分加在 LC 上,输出接近输入。所以陷波滤波器只挑出谐振这一个频率扔掉,上下其余几乎原样通过。

带通的互补,以及四大滤波器

陷波是带通的精确互补。在同一电路中,电阻两端的输出(带通)加上 LC 两端的输出(陷波)恒等于输入电压,所以两个增益的幅度平方相加在任何频率都为1。带通通过的那条窄带,陷波恰好扔掉。所以用陷波来干净地去除一个频率,如60Hz工频干扰或某个干扰频率。至此,通过低端的低通、高端的高通、中间带的带通,以及舍弃中间一点的带阻,四种基本滤波器全部齐备。选择通过什么、阻挡什么,归根结底就是选择从哪个元件取输出。

观察ZLC = j(ωL − 1/ωC)
LC阻抗是两电抗之差。
选择ω = ω0 → ZLC = ?
谐振时LC短路(Z=0)。
填空H = ZLC(R+ZLC), ω=ω0 → H = ?
谐振时输出0,陷波。
自己来Hbp² + Hnotch² = ?
带通的互补,平方和为1。

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滑动频率时输出曲线在谐振处深深沉到零,谷在 ω/ω_0 = 1。那里 ωL 与 1/ωC 相等,串联LC变为短路,短路两端的输出消失。远离谐振时 LC 阻抗增大,输出回升向输入。只挑出一个频率扔掉的这个陷波,与电阻两端输出的带通正好互补。连同低通、高通、带通,仅靠选择取输出的位置,四种基本滤波器就全部完成。

陷波滤波器(带阻)在串联RLC中从串联的 L 与 C 两端取输出。在谐振 ω0 = 1/√(LC) 处 ωL = 1/ωC,LC 组的阻抗为 0(短路),所以输出在该一个频率 沉到零。远离谐振时 LC 阻抗增大,输出回升向输入,于是只舍弃一个频率、通过其余。它是电阻两端输出的 带通的互补(Hbp² + Hnotch² = 1),与低通、高通、带通一起构成四种基本滤波器。