濾波

 

濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。是根據(jù)觀察某一隨機(jī)過(guò)程的結(jié)果，對(duì)另一與之有關(guān)的隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行估計(jì)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(hào)中提取有用信號(hào)的一種技術(shù)。“接收信號(hào)”相當(dāng)于被觀測(cè)的隨機(jī)過(guò)程，“有用信號(hào)”相當(dāng)于被估計(jì)的隨機(jī)過(guò)程。

 

這類問(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(jì)60年代提出了卡爾曼濾波?，F(xiàn)對(duì)一般的非線性濾波問(wèn)題的研究相當(dāng)活躍。

 

 

濾波技術(shù)的分類

 

信號(hào)分兩類：連續(xù)的模擬信號(hào)和離散的數(shù)字信號(hào)。

 

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

 

數(shù)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(shù)字信號(hào)處理器（DSP)就是常見(jiàn)的數(shù)字濾波設(shè)備，除了濾波，DSP還會(huì)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)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(xiàn)的。 舉個(gè)例子，比如——車身蓄電池提供的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(biāo)識(shí)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：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(yùn)放）組成。有源電路除了輸入信號(hào)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(xiàn)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(shù)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(shù)字濾波算法大概有十幾種，可以根據(jù)其作用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單分類：

 

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(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波法；4、基于中值數(shù)絕對(duì)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(quán)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(shù)字濾波技術(shù)可以分為兩類：即經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。

 

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

 

現(xiàn)代濾波器則不是建立在頻率領(lǐng)域，而是通過(guò)隨機(jī)過(guò)程的數(shù)學(xué)手段，通過(guò)對(duì)噪聲和信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性（如自相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)，自功率譜，互功率譜等）做一定的假定，然后通過(guò)合適的數(shù)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(cè)量噪聲是不相關(guān)的。 在weiner濾波器中還必須假定信號(hào)是平穩(wěn)的，等等。所以現(xiàn)代濾波技術(shù)沒(méi)有帶通、低通、高通之分。

 

說(shuō)白了，現(xiàn)代濾波技術(shù)就是用數(shù)學(xué)（特別是統(tǒng)計(jì)學(xué)）的方法，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用數(shù)學(xué)原理濾除差異較大的數(shù)據(jù)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的靈敏度和穩(wěn)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，都可以歸類于現(xiàn)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(tǒng)計(jì)—算法—現(xiàn)代濾波。

 

經(jīng)典濾波技術(shù)出現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)有些噪聲和信號(hào)的頻譜相互混疊，用經(jīng)典濾波器得不到滿意的濾波效果。這時(shí)候基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的現(xiàn)代濾波技術(shù)才誕生了。總之兩類濾波技術(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(duì)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(biāo)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(duì)騷擾信號(hào)的抑制作用越強(qiáng)。

 

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(shù)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(yīng)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

 

1、反射式濾波器

 

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

 

反射式濾波器采用電感L、電容C儲(chǔ)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(jù)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(fù)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(hào)的流通，從而減小負(fù)載上的騷擾電壓。

 

當(dāng)濾波器的頻率特性不能滿足要求時(shí)，可以采取多個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)的方法。

 

2、吸收式濾波器

 

吸收式濾波器又稱有損濾波器，它采用有損耗的濾波元件，使騷擾信號(hào)的能量消耗在濾波器中，以達(dá)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(shù)效應(yīng)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(dǎo)線穿過(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(hào)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(dǎo)線構(gòu)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(yīng)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(nèi)、外導(dǎo)體之間構(gòu)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(tǒng)稱為電磁干擾濾波器（EMI濾波器），也有的稱為射頻干擾濾波器（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(dǎo)線流通的騷擾信號(hào)（差模干擾），而且還要抑制經(jīng)任一根導(dǎo)線與地回路流通的騷擾信號(hào)（共模干擾）。

 

 

EMI濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)

 

 

4、電源線濾波器

 

抑制設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射或提高對(duì)電網(wǎng)中騷擾的抗擾度除了要考慮源阻抗和負(fù)載阻抗的匹配外，電源線濾波器的串聯(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(duì)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(hù)。

 

為滿足上述要求，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?yàn)殡娎|是高效的電磁波接收天線和輻射天線。

 

電纜之所以會(huì)輻射電磁波，是因?yàn)殡娎|端口處有共模電壓存在，電纜在這個(gè)共模電壓的驅(qū)動(dòng)下，如同一根單極天線。

 

濾波連接器的優(yōu)點(diǎn)

 

（1） 濾波連接器能夠?qū)㈦娎|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(wěn)地。

 

（3） 使用濾波連接器后，可以降低對(duì)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(duì)濾波的影響

 

電纜線對(duì)高頻騷擾具有天線作用，通常是在電纜線端口處并聯(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(shù)，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。

 

電容和電感的引線盡量短，應(yīng)小于波長(zhǎng)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(shè)想的差，是因?yàn)椴⒙?lián)電容兩側(cè)的回路之間存在互感。

 

 

為減小互感，可縮短電容引線長(zhǎng)度、改變電路走線、采用四引線電容、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(qū)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(yīng)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(duì)于電纜線的濾波，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(shè)備的導(dǎo)電外殼上，電容殼外與接地的設(shè)備殼360°連接，電容兩側(cè)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(chǔ)，結(jié)合電感構(gòu)成的濾波電路。

 

傳感器檢測(cè)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(cè)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(dāng)信號(hào)源為熱電偶、應(yīng)變片等信號(hào)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(duì)串模干擾有較好的抑制效果。但應(yīng)該一提的是，Rc濾波器是以犧牲系統(tǒng)響應(yīng)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(duì)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(nèi)阻造成幾個(gè)電路問(wèn)相互干擾，應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域廣泛， 例如，在軍事上被大量應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、電子對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)偵察；在電力系統(tǒng)中被應(yīng)用于能源分布規(guī)劃和自動(dòng)檢測(cè)；在環(huán)境保護(hù)中被應(yīng)用于對(duì)空氣污染和噪聲干擾的自動(dòng)監(jiān)測(cè)等等，在電子工程技術(shù)中無(wú)處不在。

 

 

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