低通滤波(Low-pass filter) 是一种过滤方式,规则为低频信号能正常通过,而超过设定
临界值的
高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序(目的)而改变。它有的时候也被叫作高频去除过滤(high-cut filter)或者最高去除过滤(
treble-cut filter)。低通过滤是
高通过滤的对立。
在
数字图像处理领域,从频域看,低通滤波可以对图像进行平滑去噪处理。
对于不同
滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器,或高音消除滤波器。
低通滤波器概念有许多不同的形式,其中包括电子线路(如
音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、
音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等,这两个工具都通过剔除
短期波动、保留长期
发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在
信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中
移动平均数(moving average)
巴特沃斯滤波器和
切比雪夫滤波器。
滤波电路常用于滤去整流
输出电压中的
纹波,一般由电抗元件组成,如在
负载电阻两端
并联电容器C,或与负载串联
电感器L,以及由电容,电感组合而成的各种复式滤波电路。其中最简单的滤波电路如下:
常用的
滤波电路有
无源滤波和
有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由
无源元件(电阻、电容、电感)组成,则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒
L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。若滤波电路不仅有无源元件,还有
有源元件(双极型管、单极型管、
集成运放)组成,则称为
有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作
电子滤波器。
无源滤波电路的结构简单,易于设计,但它的
通带放大倍数及其
截止频率都随负载而变化,因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中,比如
直流电源整流后的滤波,或者
大电流负载时采用LC(电感、电容)电路滤波。
有源滤波电路的负载不影响滤波特性,因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成,因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用,同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于
高电压大电流的场合,只适用于信号处理。
根据滤波器的特点可知,它的
电压放大倍数的
幅频特性可以准确地描述该电路属于低通、
高通、带通还是
带阻滤波器,因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一个频段,就可以确定滤波器的类型。
识别滤波器的方法是:若
信号频率趋于零时有确定的电压放大倍数,且信号频率趋于无穷
大时电压放大倍数趋于零,则为
低通滤波器;反之,若信号频率趋于无穷大时有确定的电压放大倍数,且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零,则为
高通滤波器;若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零,则为
带通滤波器;反之,若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数具有相同的确定值,且在某一
频率范围内电压放大倍数趋于零,则为
带阻滤波器。
例如,一阶滤波器在频率增加一倍(增加octave)时将
信号强度减弱一半(大约-6dB)。一阶滤波器幅度
波特图在
截止频率之下是一条
水平线参见
RC电路。二阶滤波器对于削减
高频信号能起到更高的效果。这种类型的滤波器的波特图类似于一阶滤波器,只是它的滚降速率更快。例如,一个二阶的
巴特沃斯滤波器(它是一个没有尖峰的临界衰减
RLC电路)频率增加一倍时就将信号
强度衰减到最初的四分之一(每倍频-12dB)。其它的二阶滤波器最初的滚降速度可能依赖于它们的Q因数,但是最后的速度都是每倍频 -12dB。参见
RLC电路。三阶和更高阶的滤波器也是类似。总之,最后n阶滤波器的滚降速率是每倍频6ndB。
对于任何的
巴特沃斯滤波器,如果向右延长水平线并且向左上延伸斜线(函数的
渐近线,它们将相交在“截止频率”。一阶滤波器在截止频率的频率响应是水平线下-3dB。不同类型的滤波器——巴特沃斯滤波器、
切比雪夫滤波器等——都有不同形状的“knee curves”。许多二阶滤波器设计成有“峰值”或者
谐振以得到截止频率处的频率响应处在水平线之上。参见
电子滤波器中其它类型的滤波器。
'低'和'高'的含义——例如
截止频率—— 依赖于滤波器的特性。(术语“
低通滤波器”仅仅是指滤波器响应的形状。一个
高通滤波器能够设计成比任何低通滤波器截止频率更低的截止频率。不同的频率响应是区分它们的依据。)电子滤波器能够设计成任何所期望的频率范围——可以到微波频率(超过 1000 MHz)乃至更高。