CN103078602A - 低通滤波电路 - Google Patents

Abstract

一种低通滤波电路，为了从信号中滤除高频交流，以得到直流和低频交流。该低通滤波电路中包括一个无任何有源电路的一阶低通滤波电路，当它接收一个输入信号的时候，将输出该信号的直流分量和低频交流分量的组成部分。该低通滤波电路中还包括一个由有源电路和一个预设的传递函数电路组成的电路，该传递函数电路通过滤除信号中超过预设的高频分量，以衰减频带使其相对狭窄。该一阶低通滤波电路与RC电路共同作用使其有源电路对信号的直流分量不作出响应，因此，有源电路将不影响输出信号的直流分量的振幅。

Description

低通滤波电路

技术领域：

本发明涉及一种低通滤波电路，为了从信号中滤除高频交流分量，以得到信号中的直流和低频交流。该低通滤波电路的直流精度很高，同时可以滤除信号中超过预设的高频交流分量，衰减该信号的频带使其变得相对狭窄。 

背景技术：

现有技术已知的最简单的低通滤波电路是一阶或者二阶RC网络。一阶RC网络是由一个电阻和一个电容连接在输出端子和输入端子之间所构成的。二阶RC网络是由两个这样的电阻和两个这样的电容连接在输入端子和输出端子之间所构成的，具体连接方式如图1所示。这种类型的低通滤波电路的直流精度很高。这就是说，这种类型的低通滤波电路中没有有源电路，该滤波电路对除了从它的输入端流向输出端的直流信号的其他信号不作出任何响应。如图2中所示的实线曲线很好的说明了图1所示的纯RC过滤网络电路的输出电压和频率之间的函数关系，垂直轴表示输出电压，水平轴代表频率。 

值得注意的是，如图2所示，输出端子中的直流分量(频率为零)与输入端子中的直流分量相等。然而，从图2中还可以看出，随着电压的逐渐减小，频率在到达它的截止频率F_C之前，也随之相应的减小。F_C为输入电压衰减3分贝之后的信号的频率，或者

(见图2所示)。从一方面来看，该纯RC滤波电路滤除信号中的超过预设频带的高频分量。从另一方面来看，该纯RC滤波电路的性能逐渐衰退，这可以与图2中虚线所示的理想低通滤波电路的性能作比较。从图2可以看出，理想低通滤波电路的输出电压从零频率到截止频率之间的较低频带内始终与输入电压保持相等，且输入电压(以及截止频率) 降为零。 

为了改善上述的低通滤波电路衰退的性能，有人提出了在纯RC网络电路中增加有源电路。具体连接方式如图3所示。该RC网络由电阻R1，R2，R3和电容C1，C2组成。电路的其余部分即为有源电路，该有源电路由运算放大器A1构成。该有源电路与RC网络共同作用，减缓了该低通滤波电路的衰减性能。如图4所示，与图2一样，很形象地描述了频率和输出电压之间的函数关系。值得注意的是，图4中实线曲线的顶部比图2中实线曲线的顶部平坦，这说明图3中的低通滤波电路的输入电压增益为1，该输入电压的频率大于零。然而，如图3所示的低通滤波电路不是直流高精度的。这就是说，该低通滤波电路的输出信号中零频率的直流分量可能等于或者大于或者小于输入信号中的直流分量，图4中的虚线很形象地说明了这一点，这是由直流路径中的有源电路，特别是运算放大器A1所引起的。如图3所示电路中，该直流路径中包括电阻R1和R3，还包括运算放大器的反馈回路。该运算放大器的反馈回路试图弥补信号中的直流分量，这样做的同时，又为输出的直流分量引入了一个干扰信号。 

发明内容：

鉴于上面所述的情况，本发明的第一个目的是提供一个低通滤波电路，是直流高精度的，同时，与纯RC低通滤波电路相比，过滤信号中的高频使其衰减的相对狭窄。 

本发明第二个目的是提供一个低通滤波电路，通过该低通滤波电路的直流分量和低频交流分量由幅度决定。同时，滤除信号中的高频分量，使得信号的频带衰减的相对狭窄，这是五阶滤波带的具体体现。 

本发明的第三个目的是提供一个低通滤波电路，利用其有源电路对信号的直流分量不作出响应这一特点，使得信号的直流分量得以分离。 

本发明第四个目的是提供一个低通滤波电路，之前所提到的该电路中的有源电路与输入输出相对独立，以分离出信号中的直流分量，即直流分量的幅度可能远大于未被分离的信号的幅度。 

本发明的技术解决方案： 

从以上可以看出，该低通滤波电路包含一个输入端子，一个输出端子，第一个电路端子和第二个电路端子。根据本发明的特征可知，第一个电路端子中无任何有源电路，它是在其输入端和传递的过程中对信号进行分离，如果信号中存在直流分量和低频交流分量，则在输出端输出。第二个电路端子与第一个电路端子相连接，其中包含有源电路，以阻止信号中的高频分量到达输出端。同时，第二个电路端子与第一个电路端子共同作用的条件下，使得有源电路对信号中的直流分量不作出响应，因此，该有源电路不影响出现在输出端的信号中直流分量的振幅。换句话说，根据这项发明的第一个特点，整个低通滤波电路在包含有源电路时，是直流高精度的。根据本发明的第二个特点，第二个端子电路中包含有源电路和一个预设的传递函数电路，该传递函数电路用以滤除超过预设的相对狭窄的频带的高频分量。在实际工作中，第二个端子电路，特别是传递函数电路，用以决定五阶滤波带的“最大频率”的衰减能力。 

对比文献，发明专利：有源低通滤波器，申请号：200780044100.2 

对比文献，发明专利：模拟有源低通滤波电路，申请号：201010168389.2 

附图说明：

附图将对本发明低通滤波电路的优点作进一步的描述。 

图1所描述的是现有技术所拥有的，由一对并联的RC网络构成的二阶低通滤波电路； 

图2所描述的是图1中输出电压和信号频率之间的函数关系； 

图3所描述的是现有技术所拥有的，使得RC网络与有源电路相结合； 

图4所描述的是图3中输出电压和信号频率之间的函数关系； 

图5所描述的是第一种符合本发明设计的低通滤波电路的实现方式； 

图6所描述的是图5中输出电压和信号频率之间的函数关系； 

图7所描述的是图5中的低通滤波电路更详细的示意图； 

图8所描述的是图7所示电路的某些部分在实际工作的时候具体的实现方式； 

图9所描述的是第二种符合本发明设计的低通滤波电路的实现方式。 

具体实施方式：

由图可知，图5和图6是根据图1，图2，图3，图4得来的，图1，图2，图3，图4在之前已经描述。如上所述，图5所描述的是第一种符合本发明设计的低通滤波电路的实现方式。图5所示电路标有参数10中包含一个输入端子V_in，用以接收由直流和交流组成的信号。图5所示电路中还包含一个纯RC网络12，该RC网络12是由输入端子V_in和输出端子V_out之间的一个电阻R和一个电容C组成的。图5被标有14的电路中，包含一个与输出端子V_out相连接的输入端子T_in和一个与电容C相连接的输出端子T_o。被标有14的电路将在图7和图8中进行详尽的描述。为了使得目的明确，下面将从本发明所涉及的两个方面的功能进行讨论。目前，只指出电路14中包含有源电路，有源电路中包含有反馈回路的运算放大器，反馈回路用以传递一个特定的函数。 

根据本发明的第一个方面，参照图5，与图3相比的低通滤波电路，图5中电路10在电路14的输入端子T_in和输出端子T_out之间没有直流通路路径。因此， 电路14的输出直流，甚至是整个有源电路的输出直流与电容C的输入端子V_in，输出端子V_out之间相互独立。这就是说，电路14中的活性成分对由输入端子V_in流向输出端子V_out信号中的直流分量不作出任何响应。这与上述的图3中运算放大器为电路对信号中的直流分量进行分离所带来的影响有着鲜明的对比。因此，尽管电路中包含有源电路，但电路10仍是直流高精度的。如图6所描述的是电路10的输出电压和信号频率之间的函数关系。值得注意的是，零频率(直流分量)信号的增益为1，即输出电压V_out的振幅与输入电压V_in的振幅相等。 

很明显的可以看出，电路10在没有电路14的情况下，只是一个一阶低通滤波RC网络。根据本发明的第二个方面，电路通过路径16接收被过滤的信号，并作出响应，电路14通过电容C以控制整个电路的过滤能力，图6为此做出了很好的解释。具体地说，电路14通过电容C以调节输入信号和输出信号之间预设频带的增益。因此，在从零到截止频率F_C之间低频带内，输出电压V_out与输入电压V_in相等。当频率大于截止频率F_C时，电路14通过电容C过滤掉高频分量。值得注意的是，图6中曲线的斜率比图2中曲线的斜率相对陡峭。图6中曲线部分频率衰减30分贝/倍频。对于理想的低通滤波电路而言，斜率为无穷大，即如图2虚线所示，垂直延伸。虽然在现实中提供一个无穷大的斜率是不可能的，但是，在本发明的实际工作中，构成电路14的部分分量提供一个五阶过滤带，这意味着频率可衰减30分贝/倍频。先参考图7，这将为电路10作详尽的描述。电路10中的输入端子V_in，输出端子V_o和RC网络12都与图5中的相同。然而，图7所示的虚线框是电路14的内部分量。内部分量中包含一个缓冲放大器A2， 该缓冲放大器A2的增益为1，因为电压V_o同时出现在输入端和输出端。该缓冲放大器A2用以从输入信号分离出输出信号V_o，把其他信号输入电路14中的其他分量中。电路14中的有源电路的特性如图6所示的曲线，该有源电路包含第二个运算放大器A3，一个输入电阻R1和一个运算放大器A3的反馈回路，该反馈回路中包含一个电阻R2，该电阻R2与预设的传递函数电路17以串联的方式相连接。综上所述，通过选择适当的电阻值R1和R2和传递函数电路的电阻R和电容C，以构成RC网络12。运算放大器A3的输出将对电容C作出响应，以提供所需的过滤模式，如图6所示。根据本发明在实际工作的情况下，整个电路10提供了一个如图6所示的，与五阶滤波带能力相应的过滤模式，在这种情况下，高频分量衰减30分贝/倍频。为满足这种特殊的条件，电路需满足以下三个条件： 

1、比例 $\frac{R1}{R2}=1$

2、F_C(截止频率)＝1.617/2πRC 

3、传递函数电路G(s)17在正常状态下遵循下列四阶多项式：G_s＝2.5210³/(S⁴+20.325S³+207.94S²+1.29810³S+2.5210³)，其中S＝jw，w为角频率，单位为弧度/秒。当电路10遇到其他情况时，可以根据以上两个方面来解决，为此提供了如图6的过滤模式。表1给出了电路10中电阻和电容的值，放大器A2和A3是运算放大器。 

表1 

C＝C1

[0031] 

R1＝R2＝1K欧姆
	R3＝12R

实际上，传递函数电路可以由任何合适的电路构成。但在这里，它是由如图8所示的一个开关电容网络和一个非重叠的时钟发生器相结合所构成。否则，就与图7所示电路相同。传递函数电路一旦构成，一些常用技术的功能在电路中也是必要的，例如开关电容网络和非重叠时钟发生器。所以，本发明并不局限于上面所述的传递函数电路和图6所示的过滤模式。 

在实践中，电路10是由图6所示的一阶选择过滤模式构成。当RC网络中电阻R1和R2的值确定时，传递函数电路也就确定了过滤模式。这里需要注意的是，传递函数电路为四阶。四阶传递函数电路与电路中RC网络相结合构成五阶滤波带。如果这里需要的是四阶滤波带，那么就用三阶传递函数电路构成，等等。此外，传递函数电路是由开关电容网络和时钟发生器所构成的。 

参照图9，可以看到一个低通滤波电路10。该电路与电路10有一处差别，其余的都是相同的。电路10’中，电路14与RC网络12是通过端子18交流耦合而成的。这就是说，电路14中的输入信号是已经被过滤直流分量后的信号，反过来说，就是信号中被过滤的直流分量可能远大于电路14中未被过滤的信号。否则，电路10’的功能与电路10相同。 

Claims (3)

1.一种低通滤波电路，为了从信号中滤除高频交流分量，以得到直流和低频交流，其特征是：

(a)第一个电路，无任何有源电路，当它接收一个输入信号的时候，将输出该信号的直流分量和低频交流分量的组成部分；

(b)第二个电路的端子与第一个电路的端子相连接，第二个电路中的有源电路的作用是阻止信号中的高频分量到达输出端，第一个电路和第二个电路的共同作用，使得该有源电路对信号中的直流分量没有影响，因此，该有源电路将不影响输出信号的直流分量的振幅；

(c)第二个电路和第一个电路是以交流耦合的方式相连接，使得第二个电路的输入信号与直流分量相隔离，即直流分量的幅度远大于第二个电路中未被分离的信号的幅度；

(d)第二个端子包括平衡振幅的端子，使得输出的信号中低频交流分量的振幅大约等于直流分量的振幅，该直流分量是滤除了信号中超过预设的高频分量之后所得到的，这样可以衰减该信号的频带使其变得相对狭窄，平衡振幅的端子包括一个反馈网络，该反馈网络中有一个预设的传递函数电路G(s)，用以预设衰减带宽，该传递函数电路为四阶，滤波带为五阶。

2.根据权利要求1所述的低通滤波电路，其特征是：

(a)输入和输出终端；

(b)一个无任何有源电路的低通RC滤波网络，连接在输入和输出终端之间，该低通RC滤波网络接收来自输入终端的信号，然后输出该信号的直流分量和预设波段的低频交流分量的组成部分；

(c)电路端子和RC网络相连接，电路端子的作用是过滤信号中超过预设值的高频分量，衰减信号的频带使其变得相对狭窄，当电路端子和RC网络共同作用时，在有源电路工作的情况下，电路对直流分量将不作出响应，对出现在输出终端的直流分量的振幅也没有影响；

(d)连接端子是由交流耦合电路的端子和RC网络的电路端子所构成的，用以从输入信号中分离出直流分量，即直流分量的振幅远大于之前所提到的未被电路端子过滤的信号幅度；

(e)电路端子连接在RC网络和输出终端之间，电路端子的作用是调节信号的低频交流分量的振幅，使其约等于输出的直流分量的振幅，该电路端子中还包含一个运算放大器，以及放大器的反馈回路，该反馈回路中有一个电阻，该电阻与预设的四阶传递函数电路相连接，即构成了五阶滤波带，该反馈回路中还有一个输入电阻与运算放大器的输入端相连接。

3.根据权利要求1或者2所述的低通滤波电路，其特征是：

(a)第一阶电路，无任何有源元件，用以接收输入信号中全部的直流分量和出现在输出端的低频交流分量；

(b)第二阶电路连接在第一阶电路和输出端之间，第二阶电路中包含有源电路，该有源电路是阻止信号中的高频成分到达输出端，当第二阶电路与第一阶电路共同作用时，有源电路对信号的直流分量将不作出响应，因此，有源电路对出现在输出端的直流分量信号没有影响，第二阶电路的端子用于调节低频交流信号的振幅，使其约等于信号中直流分量的振幅，该直流分量是滤除了信号中超过预设的高频分量之后所得到的，频带相对狭窄，第二阶电路中还包含一个反馈网络，该反馈网络中包含有源电路和预设的传递函数电路G(s)，该传递函数电路用来预设衰减带宽，该传递函数电路为四阶，滤波带为五阶，反馈网络中包括一个运算放大器，反馈电路是连接运算放大器的输入端和输出端之间的电路，该反馈电路中包含一个输入电阻R1和一个由传递函数电路所决定的电阻R2。

Images