【干货】一阶RC低通滤波器可以这样过滤高频噪声-电路图讲解-电子技术方案

关于一阶滤波器的种种有很多资料可查，像截止频率啊，相移啊什么的，这些在这里就不再重复了。本文主要阐述一下阿呆在学习过程中曾被困扰的地方，及本人的简要分析。   本文从无源RC低通滤波器说起，以一个实例为讨论背景：有一个心电放大电路，最后一级输出阻抗50欧姆，但是该电路输出信号存在明显的毛刺，那么我们想通过低通滤波器滤掉高频噪声，该如何实现呢？   最简单的做法，就是在输出上直接加上一个无源RC滤波器了，心电信号频率范围是：0.05-100Hz，为确保有用信号在通带不产生过于不平衡的衰减，我们设计一个截止频率为150Hz的低通滤波器（因为在到达截止频率时，信号已经产生了3dB衰减，一般选取的截止频率值要比实际有用信号的最高频率稍大一些）   如图1所示： 

图1   输出幅值变了！信号源输出峰值1V信号，在滤波器输出时，由图1可见，不足1V（每格500mV，不足两格）。怎么回事？   将该滤波器独立出来，利用理想电压源注入信号，观察滤波器输出：  

图2   此时的滤波器输出就基本达到了峰值1V的输出。加上含输出阻抗的前级电路就不能达到了呢，原因何在？一直以为RC滤波器根据公式计算出截止频率，然后选定参数，加到电路里面去就OVER了，看来不是那么简单，它会受前后级阻抗的影响，那么其定量关系该怎么确定呢？不搞清楚这个问题，电路设计就如阿呆一般，停留在社会主义初级阶段了。   后面我们就探究一下RC滤波器在电路中的匹配问题：   以上面的应用为例，假设前级电路的输出阻抗为Ro1，输出信号电压峰值为±2V，后级电路的输入阻抗为RL2，那么，加入一阶无源RC低通滤波器后，后级电路实际接收信号峰值为多少呢？   该实例等效后的电路如下：  

图3   在电路设计或分析时，不考虑前后级及本身的输入输出阻抗，想当然的认为后级接收到的信号峰值为±2V，有木有过？阿呆的确有过，并且因实测输出达不到±2V而迁怒于元器件参数不给力、电路板设计不给力。   那么到底给如何去分析呢，首先我们看前级输出到RC滤波器的定量关系： 

 图4   信号源输出阻抗为Ro1欧姆，RC滤波器输入阻抗：

 则图中Point7处电压为：

 然后我们看RC滤波器到后级输入的定量关系：

 图5   图中Point 3出电压：

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汽车仪表LED背光灯的电源电路在高压脉冲下会使电流不稳定，从而导致背光灯亮度有所变化。为了解决该问题，基于低功耗双运算放大器LM2904，设计了一种汽车仪表背光灯恒流源电路，并且对该恒流源电路部分参数进行了仿真测试。结果表明该方案精度高、稳定性强、成本低，具有一定的应用参考价值。  

0引言 随着科技的飞速发展，LED作为一种新型的节能、安全、环保光源，具有体积小、耗电低、亮度高、 寿命长等传统光源不及的特点，广泛应用在汽车仪表的背光灯中［12］。由LED伏安特性曲线可知,LED光源的发光强度主要取决于流过它的电流，轻微的电流变化便会导致LED亮度的变化，因此其对电源的稳定性要求极高［34］。   为了研究车载发电机电源在高压脉冲下对汽车仪表LED背光灯亮度变化的影响，本文在ISO 7637-2 :2004 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》测试标准下，通过对汽车仪表LED背光灯车载系统环境的现实模拟，重现了车载发电机在高压脉冲下导致汽车仪表LED背光灯亮度变化的场景［5］。为了改善这种不稳定的情况，本文提出了一种基于低功耗双运算放大器LM2904和三极管设计的恒流源电路，并通过电路仿真对相关参数进行测试。测试结果验证了该方案具有精度高、稳定性强、成本较低等优点，因此具有一定的可行性［6］。 

   1ISO 7637标准实验及结果分析 ISO 76372 :2004 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》标准定义了车载电气设备上的电源电压为12 V和24 V时电源线上的电瞬变传导骚扰的发射和抗扰度性能测试标准。同时该标准根据车载电子设备的实际应用物理环境，规定了相应的测试波形，从而可以再现实际车载电器系统电源环境的极端状态，系统的抗电源传导瞬变骚扰能力提供了相应的评价标准，具有很强的实践指导意义［7］。

因此，首先根据该国际测试标准模拟车载电源对汽车仪表LED背光灯的影响。   DUT（被测装置）瞬态抗扰度的实验采用试验脉冲发生器的方法，典型测试脉冲5用来模拟交流发电机给蓄电池充电过程中，蓄电池突然断开时对回路中其他电子设备产生的突升脉冲，这一卸载脉冲的幅值和强度主要取决于断开时交流发电机的速度和励磁电流。脉冲5有脉冲5a和脉冲5b两种，其中脉冲5b是经限幅二极管箝位的脉冲。脉冲5不仅考核了电源对电子设备的抗干扰能力，而且考核了对设备元器件的破坏性。脉冲5a波形如图1所示，其对应波形参数如表1所示。脉冲5b的波形如图2所示，其对应波形参数如表2所示［7］。

 根据ISO 76372:2004国际标准要求，对汽车仪表LED背光灯开展脉冲5b实验。LED背光灯与车身电池KL30连接，当车身电池KL30的电压发生变化时，流过LED背光灯的电流也会相应发生变化。所以当车身电压表1测试脉冲5a参数12 V系统24 V系统Us/V65~87123~174Ri/Ω0.5~41~8td/ms40~400100~350tt/ms10(0,-5)     　　   

 抑制管最高输出电压在36.8 V左右时，持续时间TD在40~400 ms之间，所产生的试验脉冲如图3所示，流过LED背光灯的电流变大，从而导致汽车仪表 LED背光灯变亮。为了改善此种情况，需要对流过LED灯的电流加以限制，因此必须提高车载电源的稳定性［8］。

 目前针对汽车仪表背光灯变亮问题已存在一些整改方案。比如，电源端增加瞬态抑制二极管TVS。TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，进而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。若对仪表进行24 V过压实验，当仪表有高压脉冲信号时，该TVS二极管只能将脉冲信号钳位到24 V，仪表背光灯若挂在36.8 V上仍会变亮，所以此方案只能起到一定的抑制作用。   对此，本文设计了一种恒流源电路对上述现象进行改进，其核心部件采用低功耗双运算放大器LM2904和三极管组成。LM2904是一个双路通用运算放大器，可以采用两路恒流源处理，供给仪表不同器件的背光灯使用，根据汽车仪表背光灯的电流来选取不同阻值的电阻， 从而限制该路总电流，起到恒流作用［9 10］。                                       

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