濾波

 

濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。是根據觀(guān)察某一隨機過(guò)程的結果，對另一與之有關(guān)的隨機過(guò)程進(jìn)行估計的概率理論與方法。

 

濾波一詞起源于通信理論，它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術(shù)。“接收信號”相當于被觀(guān)測的隨機過(guò)程，“有用信號”相當于被估計的隨機過(guò)程。

 

這類(lèi)問(wèn)題在電子技術(shù)、航天科學(xué)、控制工程及其他科學(xué)技術(shù)部門(mén)中都是大量存在的。歷史上最早考慮的是維納濾波，后來(lái)R.E.卡爾曼和R.S.布西于20世紀60年代提出了卡爾曼濾波?，F對一般的非線(xiàn)性濾波問(wèn)題的研究相當活躍。

 

 

濾波技術(shù)的分類(lèi)

 

信號分兩類(lèi)：連續的模擬信號和離散的數字信號。

 

所以，按所處理的信號來(lái)分類(lèi)，濾波技術(shù)便分為兩類(lèi)：模擬濾波技術(shù)和數字濾波技術(shù)。

 

數字濾波技術(shù)的核心是算法，但也并不是完全脫離硬件的。比如數字信號處理器（DSP)就是常見(jiàn)的數字濾波設備，除了濾波，DSP還會(huì )對數字信號進(jìn)行變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。

 

1、模擬濾波技術(shù)

 

一般都是通過(guò)硬件電路實(shí)現的。 舉個(gè)例子，比如——車(chē)身蓄電池提供的12V直流電源，它其實(shí)并不純潔。除了純凈的12V恒壓電源外，還摻雜著(zhù)一些交流雜波。所以我們需要用電容、電感、電阻來(lái)組成硬件濾波電路，以頻率為標識符來(lái)濾除這些雜波。硬件濾波的基本原理就是電容、電感的容抗和感抗與頻率有關(guān)。

 

模擬濾波技術(shù)（硬件濾波技術(shù)）分為兩類(lèi)：無(wú)源濾波和有源濾波。

 

無(wú)源濾波電路僅由無(wú)源元件（電阻、電容、電感）組成。

 

有源濾波電路不僅由無(wú)源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成。有源電路除了輸入信號外，還必須要有外加電源才可以正常工作， 有源元件也叫主動(dòng)元件，要依靠電流方向才能體現其價(jià)值。有源濾波自身就是諧波源，會(huì )產(chǎn)生諧波干擾。

 

總的來(lái)說(shuō)，平時(shí)我們用的比較多的還是無(wú)源濾波電路。

 

2、數字濾波技術(shù)

 

這里就只說(shuō)軟件濾波了，不說(shuō)DSP。

 

常見(jiàn)的數字濾波算法大概有十幾種，可以根據其作用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單分類(lèi)：

 

克服大脈沖干擾的濾波算法有：1、限幅濾波法；2、中位值濾波法；3、基于拉依達準則的奇異數據濾波法；4、基于中值數絕對偏差的決策濾波器。

 

克服小幅度高頻噪聲的濾波算法有：1、算術(shù)平均；2、滑動(dòng)濾波；3、加權滑動(dòng)平均。這三種算法都具有低通特性，所謂的低通是通低頻（濾高頻），故叫做低通。

 

正常的軟件濾波邏輯是，先剔除大的異常干擾，再過(guò)濾高頻低幅噪聲。一般高頻干擾是由電子元器件熱噪聲、AD量化噪聲引起的。

 

此外，還有一些高貴冷艷的濾波算法，比如維納濾波，卡爾曼濾波等。

 

實(shí)際上，數字濾波技術(shù)可以分為兩類(lèi)：即經(jīng)典濾波和現代濾波。

 

經(jīng)典濾波技術(shù)的基礎是傅里葉變換，它建立在信號和噪聲頻率分離的基礎上，通過(guò)將噪聲所在頻率區域幅值衰減來(lái)達到提高信噪比，于是針對不同的頻率段就產(chǎn)生了低通，高通，帶通等濾波器之分。

 

現代濾波器則不是建立在頻率領(lǐng)域，而是通過(guò)隨機過(guò)程的數學(xué)手段，通過(guò)對噪聲和信號的統計特性（如自相關(guān)函數，互相關(guān)函數，自功率譜，互功率譜等）做一定的假定，然后通過(guò)合適的數學(xué)方式，來(lái)提供信噪比。譬如KALMAN濾波器中，總會(huì )假定狀態(tài)噪聲和測量噪聲是不相關(guān)的。 在weiner濾波器中還必須假定信號是平穩的，等等。所以現代濾波技術(shù)沒(méi)有帶通、低通、高通之分。

 

說(shuō)白了，現代濾波技術(shù)就是用數學(xué)（特別是統計學(xué)）的方法，對于采集的數據進(jìn)行分析，利用數學(xué)原理濾除差異較大的數據，保持數據的靈敏度和穩定性。所以之前的那十幾種濾波技術(shù)以及卡爾曼濾波、維納濾波等，都可以歸類(lèi)于現代濾波技術(shù)。

 

總的來(lái)說(shuō)，一般有這種聯(lián)系：

 

● 頻率—硬件—經(jīng)典濾波；

● 統計—算法—現代濾波。

 

經(jīng)典濾波技術(shù)出現后，人們發(fā)現有些噪聲和信號的頻譜相互混疊，用經(jīng)典濾波器得不到滿(mǎn)意的濾波效果。這時(shí)候基于統計學(xué)的現代濾波技術(shù)才誕生了?？傊畠深?lèi)濾波技術(shù)各有所用，具體問(wèn)題具體分析。

 

濾波器

 

濾波器，顧名思義對于電路中傳播的電磁騷擾，采用濾波技術(shù)加以抑制。

 

 

濾波器的特性

 

濾波器的技術(shù)指標包括插入損耗、頻率特性、阻抗特性、額定電壓、額定電流、外形尺寸、工作環(huán)境、可靠性等。

 

1．插入損耗（Insertion Losses）

 

 

插入損耗值越大對騷擾信號的抑制作用越強。

 

2．頻率特性

 

濾波器的插入損耗隨頻率的變化即為頻率特性。

 

頻率特性可用中心頻率、截止頻率、最低使用頻率和最高使用頻率等參數描述。

 

3． 阻抗特性

 

濾波器的輸入阻抗、輸出阻抗直接影響其插入損耗特性。

 

在使用EMI濾波器時(shí)，應保證在輸入、輸出最大限度失配的情況下，有合乎要求的最佳抑制效果。

 

4． 額定電壓

 

濾波器工作時(shí)允許的最高電壓。

 

5． 額定電流

 

濾波器工作時(shí)，不降低插入損耗性能的最大使用電流。

 

濾波器的種類(lèi)

 

1、反射式濾波器

 

反射式濾波器又稱(chēng)無(wú)損濾波器，其工作原理是在電磁信號傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續，使大部分電磁能量反射回信號源處。

 

反射式濾波器采用電感L、電容C儲能元件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò )。

 

有很好的頻率選擇特性，但容易產(chǎn)生諧振。

 

根據頻率特性分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器，低通濾波器是電磁兼容中最常用的濾波器。

 

低通濾波器的基本電路形式

 

在低通濾波器中：電容的作用是通過(guò)并聯(lián)一個(gè)低阻抗的通路，使騷擾電流分流，從而減小負載中的騷擾電流；電感的作用是通過(guò)串聯(lián)一個(gè)高阻抗，阻斷騷擾信號的流通，從而減小負載上的騷擾電壓。

 

當濾波器的頻率特性不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以采取多個(gè)濾波器級聯(lián)的方法。

 

2、吸收式濾波器

 

吸收式濾波器又稱(chēng)有損濾波器，它采用有損耗的濾波元件，使騷擾信號的能量消耗在濾波器中，以達到抑制干擾的目的。

 

吸收式濾波可避免反射式濾波因寄生參數效應或阻抗不匹配引起的諧振，但其頻率選擇性較差。

 

吸收式濾波器采用鐵氧體材料或其他有損耗材料，將導線(xiàn)穿過(guò)或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上，利用其電感及磁場(chǎng)渦流損耗阻斷騷擾信號的傳播。

 

2.1 鐵氧體磁心

 

 

用鐵氧體材料制成環(huán)狀磁心，與從中穿過(guò)的導線(xiàn)構成有損電感，可起到濾除高頻電磁騷擾的作用。

 

鐵氧體磁芯的阻抗由感抗和等效損耗電阻兩部分組成。低頻時(shí)主要取決于感抗，高頻時(shí)鐵耗成為阻抗的主要成分。

 

鐵氧體磁心具有很好的高頻騷擾抑制能力，被制成各種形狀及大小，廣泛應用于各種電子產(chǎn)品。

 

2.2 抗干擾電纜

 

抗干擾電纜是將鐵氧體材料填充在同軸電纜的內、外導體之間構成的有損同軸電纜，它具有很好的高頻衰減特性，可以起到較好的濾波效果。

 

 

3、電磁干擾濾波器

 

用于抑制電磁騷擾在電路中傳播的濾波器統稱(chēng)為電磁干擾濾波器（EMI濾波器），也有的稱(chēng)為射頻干擾濾波器（RFI濾波器）。

 

EMI濾波器通常是由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成的低通濾波器。

 

EMI濾波器不但要抑制經(jīng)兩根導線(xiàn)流通的騷擾信號（差模干擾），而且還要抑制經(jīng)任一根導線(xiàn)與地回路流通的騷擾信號（共模干擾）。

 

 

EMI濾波器的基本電路結構

 

 

4、電源線(xiàn)濾波器

 

抑制設備的傳導發(fā)射或提高對電網(wǎng)中騷擾的抗擾度除了要考慮源阻抗和負載阻抗的匹配外，電源線(xiàn)濾波器的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容選值受到一定限制。

 

串聯(lián)電感L值不能取得太大，否則會(huì )產(chǎn)生較大的電源壓降，影響正常供電；接地的并聯(lián)電容值也不能取得太大，否則對地漏電流增加，可能會(huì )超出限值而影響人身安全或引起漏電保護。

 

為滿(mǎn)足上述要求，可使用共模扼流圈。

 

 

5、 濾波連接器

 

90% 的電磁兼容問(wèn)題是由于電纜造成的。這是因為電纜是高效的電磁波接收天線(xiàn)和輻射天線(xiàn)。

 

電纜之所以會(huì )輻射電磁波，是因為電纜端口處有共模電壓存在，電纜在這個(gè)共模電壓的驅動(dòng)下，如同一根單極天線(xiàn)。

 

濾波連接器的優(yōu)點(diǎn)

 

（1） 濾波連接器能夠將電纜中的干擾電流濾除，從而徹底消除電纜的輻射因素。

 

（2） 濾波連接器抑制電纜輻射比屏蔽電纜更穩地。

 

（3） 使用濾波連接器后，可以降低對電纜端接的要求，避免使用價(jià)格昂貴的高質(zhì)量屏蔽電纜，從而降低成本。

 

元件非理想特性對濾波的影響

 

電纜線(xiàn)對高頻騷擾具有天線(xiàn)作用，通常是在電纜線(xiàn)端口處并聯(lián)電容濾波。

 

有時(shí)濾波效果并不好，源于濾波電路及元件并非是理想情況，存在各種寄生參數，影響了濾波效果。

 

1、元件的非理想特性

 

 

電容值或電感值越大，則諧振頻率越低，也就是電容的高頻濾波效果越差。

 

電容和電感的引線(xiàn)盡量短，應小于波長(cháng)的1/100。

 

為改善電容器實(shí)際特性的影響，常將一個(gè)高頻性能好的小電容與一個(gè)大電容并聯(lián)使用。

 

 

2．互感的影響

 

并聯(lián)電容濾波時(shí)，高頻濾波效果比設想的差，是因為并聯(lián)電容兩側的回路之間存在互感。

 

 

為減小互感，可縮短電容引線(xiàn)長(cháng)度、改變電路走線(xiàn)、采用四引線(xiàn)電容、采用表面安裝電容等。

 

3．電容回路的電感

 

印制電路板上的電源平面和地平面之間、集成電路旁邊經(jīng)常接濾波電容器，以抑制器件驅動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)，電容器的電荷釋放受到電感的限制。

 

電感除了電容器的寄生電感外，還包括回路電感。

 

 

為減小回路電感，濾波電容應盡量靠近集成電路，或使用電源平面和地平面間距較小的電路板。

 

4．穿心電容和饋通濾波器

 

對于電纜線(xiàn)的濾波，如果與屏蔽體相配合，可采用穿心電容和饋通濾波器。

 

 

穿心電容通常安裝在設備的導電外殼上，電容殼外與接地的設備殼360°連接，電容兩側回路的互感幾乎為零，濾波效果大大提高。

 

饋通濾波器是以穿心電容為基礎，結合電感構成的濾波電路。

 

傳感器檢測中的濾波技術(shù)

 

濾波器是抑制交流串模干擾的有效手段之一。傳感器檢測電路中常見(jiàn)的濾波電路有Rc濾波器、交流電源濾波器和真流電源濾波器。

 

RC濾波器

 

當信號源為熱電偶、應變片等信號變化緩慢的傳感器時(shí)，利用小體積、低成本的無(wú)源Rc濾波器將會(huì )對串模干擾有較好的抑制效果。但應該一提的是，Rc濾波器是以犧牲系統響應速度為代價(jià)來(lái)減少串模干擾的。

 

交流電源濾波器

 

電源網(wǎng)絡(luò )吸收了各種高、低頻噪聲，對此常用Lc濾波器來(lái)抑制混入電源的噪聲。

 

直流電源濾波器

 

直流電源往往為幾個(gè)電路所共用，為了避免通過(guò)電源內阻造成幾個(gè)電路問(wèn)相互干擾，應該在每個(gè)電路的直流電源上加上Rc或Lc退耦濾波器，用來(lái)濾除低頻噪聲。

 

濾波技術(shù)的應用領(lǐng)域廣泛， 例如，在軍事上被大量應用于導航、制導、電子對抗、戰場(chǎng)偵察；在電力系統中被應用于能源分布規劃和自動(dòng)檢測；在環(huán)境保護中被應用于對空氣污染和噪聲干擾的自動(dòng)監測等等，在電子工程技術(shù)中無(wú)處不在。

 

 

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