談談直接帶載對RC低通濾波電路特性造成的影響

1、濾波的含義

濾波是頻域范疇，它說的是不同頻率的信號經過一個電路處理后，信號發生變化的問題，變化包含了原始信號幅值和相位的變化，濾波電路對信號的幅值做出的響應稱為幅頻響應，對信號相位做出的反應稱為相頻響應。每一個頻率的信號對應在時域就是信號的充放電特性。

濾波通常借助動態器件如電感和電容，利用它們在不同頻率下阻抗變化，從而在其上面產生壓降，對我們需要去除的信號進行衰減，從而達到濾波的效果。

我們知道電感和電容的阻抗特性其實就是儲能特性，儲能意味著時間特性，需要過程，這個過程是濾波特性的體現的一方面。

2、分析方法和工具

在s域，寫出回路的傳遞函數，根據波特圖進行分析，傳遞函數是輸入和輸出的增益關系

為了同時分析相位和幅值引入虛數，并且在虛平面進行分析，和頻率相關的電路阻值特性，我們用阻抗描述，通常包含實部與虛部，這個數學工具的引入，包含了幅值和相位信息的體現，簡化了分析難度。

角速度描述表示

注：

由于自然界正弦信號認為是單一頻率的信號，是基礎信號，不可再分解，其它信號是以正弦為基礎的合成信號，所以，以下從電路輸入某個頻率的正弦信號開始分析。正弦信號輸入這些線性電路，達到穩定后，輸出信號只會發生幅值和相位的改變，不改變信號的頻率。

3、RC低通濾波電路結構和特性

（1）RC濾波電路，圖中包含了這個電路的傳遞函數G(s)表達式

RC濾波電路

從傳遞函數解出一個稱作為極點的根， 即令傳遞函數的分母為零 ，最后得出一個頻率，由于這個頻率從波特圖上看，曲線在這個點前后發生突變的現象，我們形象地將這個頻率稱為“轉折頻率”，轉折頻率意味著一個響應發生“突變”的頻率點，轉折意味著響應的轉彎點，前后會發生較大的變化。記住波特圖圖橫軸是頻率，代表著一系列不同頻率信號通過這個電路后，輸出會發生不一樣的變化，是一系列的信號，不是單一信號。轉折頻率代表了電路的固有特性，是電路參數和結構導致的結果，是電路的固有屬性。

RC轉折頻率

借助matalab工具進行繪制響應曲線，其它工具也可以，只要是自己熟悉的工具即可

**下面我們對R和C賦值，R=100Ω，C1=100uF，得到轉折頻率f=15.915Hz**

syms s R C % 定義符號參量

R=100; C=100*10^-6;% 給分子分母賦值

G(s)=1/(sRC+1);% 傳遞函數表達式

num=[0,1];% 分子系數 den=[1/100,1];% 分母系數

G1=tf(num,den)% 得出傳遞函數

margin(G1)% 畫出增益和相位裕量圖

grid on;

% 得出傳遞函數為G(s)=1/(s/100 + 1)

RC濾波電路的幅頻和相頻

曲線說明

（1） 直流增益 ，即低頻增益，在傳遞函數中令s=0，得到直流增益為1，轉換成dB剛好為0dB（0dB=20log1），這正是我們無源器件低通濾波器的特點，不能放大信號，在低頻段，電容容抗幾乎為無窮大，即電容為開路狀態，信號被原模原樣傳輸過來，這時候增益就是1，由于電容看做開路，那么阻性電路中，信號自然也不會產生任何相位偏移。

直流增益

（2） 轉折頻率的地方 ，這個頻率的信號增益被衰減到原來的70.7%，也就是-3dB的地方，圖中為-2.99dB對應轉折頻率為15.9Hz，這是由于實際計算轉折頻率為15.915Hz，存在一點誤差。對相位來說，在這個頻率點，相位會偏移-45°，負號表示信號被滯后了，從時間看，也就是被延時了。但是對其它不同頻率信號在這個頻率點前后響應出現較大的不同。之前看做不衰減也就是直流增益部分，之后信號被快速衰減，同時產生一定的相移。

（3） 延時時間計算 ，也就是相位延遲和具體時間的對應關系，方便我們理解相位和延遲之間的關系，延遲時間為：延遲時間=Kd*周期

延遲系數Kd ，即在一個360°周期里延遲角度占有的比例，這里是45/360=1/8，也就是45°占有360°的1/8。

轉折頻率約為15.9Hz，即一個周期為62.89ms。

那么，輸入信號被延時時間為62.89ms*1/8=7.86ms，輸出信號晚來輸入信號7.86ms。

如下是對一個100Hz和200Hz信號進行延時舉例，也說明了相位差和時間差之間的關聯，它們一一對應（one to one）

相位延遲的含義表示

用TINA仿真進行波形驗證，借助仿真軟件驗證你的結果，并且可以幫助你理解

RC仿真電路

相比于輸入信號Uin，穩態后，電容電壓為輸出信號被滯后45°，并且幅度被衰減到70.7%，從下圖波形也可以看出。（穩態后，電阻上電壓超前了45°，想象一下，這個電路測量對象不同，帶來了“高通”和“低通”的概念）

仿真波形

4、直接帶載后會發生什么？

如下圖，我們將R2放置在電路中，模擬一個負載

RC直接帶載

我們再次借助MATLAB化簡方程

%zo輸出阻抗，是電容C1和電阻R2的并聯值 % z是電路總阻抗 % G(s)傳遞函數

syms R1 R2 C1

zo=R2/(sC1R2+1); z=R1+zo;

G(s)=zo/z; G1(s)=simplify(G(s))%化簡代數式

最后得出傳遞函數為G(s)=G1(s)=R2/(R1 + R2 + C1R1R2*s)

同時令傳遞函數的分母為零解出極點，如上圖，我們可以把它寫作為頻率的形式，這個頻率在波特圖中正好是轉折頻率，我們利用MATLAB進行驗證

帶載的RC轉折頻率

轉折頻率處，輸出信號相比輸入信號，輸入信號的幅值被衰減到原來的70.7%，相位被滯后45°（圖中就是-45，符號表示信號相位被滯后）

**下面我們對R1、R2和C1賦值，R1=100Ω、R2=20Ω，C1=100nF**

syms R1 R2 C1 s

R1=100;R2=20;C1=100*10^-9;

zo=R2/(sC1R2+1); z=R1+zo;

G(s)=zo/z;

G1(s)=simplify(G(s))%化簡代數式

% G(s)=G1(s)=R2/(R1 + R2 + C1R1R2*s)

%得到傳遞函數表達式 G(s)=G1(s)=100000/(s+600000)

num=[0,100000]; den=[1,600000];

G1=tf(num,den)% 得到傳遞函數

margin(G1)

grid on;

最終得到幅頻和相頻特性圖

幅頻和相頻曲線

（1）直流增益 ，也就是低頻下的增益，我們對傳遞函數頻率項s=0，那么就得到直流增益，這也是我們在做電源環路中分析中采取的方法得到直流增益。這里直流增益如下，也就是除去了時效性動態器件的影響，純阻性表現的特性，就是一個簡單的分壓電路。

直流增益

注：1/6剛好是-15.6dB，負分貝表示信號被衰減

（2）轉折頻率處 ，我們經過簡單計算，得到轉折頻率為f=95.49kHz，如下圖，轉折頻率處信號衰減到原來的70.7%，即1/6*70%=0.1178，即為-18.6dB，波特圖中可以看出，同時相位被滯后45°（-45℃）。

這個電路，我們對并聯在C1上的R2取值為無限大，我們將R2取值無窮大后，只需要把傳遞函數簡單化簡后求極限，則電路重回到開頭的RC電路，傳遞函數和RC低通電路相同。

轉折頻率

注：負載的直接接入導致轉折頻率會向右移，即轉折頻率比單純的RC會偏高，若R2趨于∞，那么轉折頻率由95.49k變為15.92k（用Excel快速計算一下）。

實際中濾波電路該怎么樣接負載

實際當中，尤其是采樣電路，我們經常會用到RC低通濾波，我們會采用輸入阻抗很大的運放組成跟隨器。

在MCU中，采樣輸入端口往往也是阻抗很大，所以我們也可以直接用RC濾波進行直接接入

高輸入阻抗端口，這些都是讓我們想要的信號幅值不發生衰減，而且幾乎不產生相移、設定的轉折頻率不發生偏移，信號能夠被正常采集。