濾波

 

濾(lv)波(bo)是(shi)將(jiang)信(xin)號(hao)中(zhong)特(te)定(ding)波(bo)段(duan)頻(pin)率(lv)濾(lv)除(chu)的(de)操(cao)作(zuo)
，是(shi)抑(yi)製(zhi)和(he)防(fang)止(zhi)幹(gan)擾(rao)的(de)一(yi)項(xiang)重(zhong)要(yao)措(cuo)施(shi)。是(shi)根(gen)據(ju)觀(guan)察(cha)某(mou)一(yi)隨(sui)機(ji)過(guo)程(cheng)的(de)結(jie)果(guo)，對(dui)另(ling)一(yi)與(yu)之(zhi)有(you)關(guan)的(de)隨(sui)機(ji)過(guo)程(cheng)進(jin)行(xing)估(gu)計(ji)的(de)概(gai)率(lv)理(li)論(lun)與(yu)方(fang)法(fa)。

 

濾波一詞起源於通信理論
，它是從含有幹擾的接收信號中提取有用信號的一種技術。“接收信號”相當於被觀測的隨機過程，“有用信號”相當於被估計的隨機過程。

 

這類問題在電子技術、航天科學、控製工程及其他科學技術部門中都是大量存在的。曆史上最早考慮的是維納濾波，後來R.E.卡爾曼和R.S.布西於20世紀60年代提出了卡爾曼濾波。現對一般的非線性濾波問題的研究相當活躍。

 

 

濾波技術的分類

 

信號分兩類：連續的模擬信號和離散的數字信號。

 

所以
，按所處理的信號來分類
，濾波技術便分為兩類：模擬濾波技術和數字濾波技術。

 

數字濾波技術的核心是算法

，但也並不是完全脫離硬件的。比如數字信號處理器（DSP)就是常見的數字濾波設備，除了濾波，DSP還會對數字信號進行變換、檢測、譜分析、估計、壓縮
、識別等一係列的加工處理。

 

1、模擬濾波技術

 

一般都是通過硬件電路實現的。 舉個例子
，比如——車身蓄電池提供的12V直流電源，它其實並不純潔。除了純淨的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
、電阻來組成硬件濾波電路，以頻率為標識符來濾除這些雜波。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。

 

模擬濾波技術（硬件濾波技術）分為兩類：無源濾波和有源濾波。

 

無源濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成。

 

有源濾波電路不僅由無源元件，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， 有源元件也叫主動元件
，要依靠電流方向才能體現其價值。有源濾波自身就是諧波源，會產生諧波幹擾。

 

總的來說
，平時我們用的比較多的還是無源濾波電路。

 

2、數字濾波技術

 

這裏就隻說軟件濾波了
，不說DSP。

 

常見的數字濾波算法大概有十幾種，可以根據其作用來進行簡單分類：

 

克服大脈衝幹擾的濾波算法有：1、限幅濾波法；2
、中位值濾波法；3

、基於拉依達準則的奇異數據濾波法
；4、基於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、算術平均；2、滑動濾波；3
、加權滑動平均。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，先剔除大的異常幹擾，再過濾高頻低幅噪聲。一般高頻幹擾是由電子元器件熱噪聲、AD量化噪聲引起的。

 

此外

，還有一些高貴冷豔的濾波算法
，比如維納濾波，卡爾曼濾波等。

 

實際上
，數字濾波技術可以分為兩類：即經典濾波和現代濾波。

 

jingdianlvbojishudejichushifuliyebianhuan，tajianlizaixinhaohezaoshengpinlvfenlidejichushang
，tongguojiangzaoshengsuozaipinlvquyufuzhishuaijianlaidadaotigaoxinzaobi，yushizhenduibutongdepinlvduanjiuchanshengleditong，gaotong
，daitongdenglvboqizhifen。

 

現代濾波器則不是建立在頻率領域
，而是通過隨機過程的數學手段
，通過對噪聲和信號的統計特性（如自相關函數，互相關函數，自功率譜，互功率譜等）做一定的假定，然後通過合適的數學方式，來提供信噪比。譬如KALMAN濾波器中，總會假定狀態噪聲和測量噪聲是不相關的。 在weiner濾波器中還必須假定信號是平穩的
，等等。所以現代濾波技術沒有帶通、低通、高通之分。

 

說白了，現代濾波技術就是用數學（特別是統計學）defangfa
，duiyucaijideshujujinxingfenxi，liyongshuxueyuanlilvchuchayijiaodadeshuju
，baochishujudelingminduhewendingxing。suoyizhiqiandenashijizhonglvbojishuyijikaermanlvbo、維納濾波等，都可以歸類於現代濾波技術。

 

總的來說，一般有這種聯係：

 

● 頻率—硬件—經典濾波；

● 統計—算法—現代濾波。

 

經(jing)典(dian)濾(lv)波(bo)技(ji)術(shu)出(chu)現(xian)後(hou)，人(ren)們(men)發(fa)現(xian)有(you)些(xie)噪(zao)聲(sheng)和(he)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)譜(pu)相(xiang)互(hu)混(hun)疊(die)

，用(yong)經(jing)典(dian)濾(lv)波(bo)器(qi)得(de)不(bu)到(dao)滿(man)意(yi)的(de)濾(lv)波(bo)效(xiao)果(guo)。這(zhe)時(shi)候(hou)基(ji)於(yu)統(tong)計(ji)學(xue)的(de)現(xian)代(dai)濾(lv)波(bo)技(ji)術(shu)才(cai)誕(dan)生(sheng)了(le)。總(zong)之(zhi)兩(liang)類(lei)濾(lv)波(bo)技(ji)術(shu)各(ge)有(you)所(suo)用(yong)，具(ju)體(ti)問(wen)題(ti)具(ju)體(ti)分(fen)析(xi)。

 

濾波器

 

濾波器，顧名思義對於電路中傳播的電磁騷擾，采用濾波技術加以抑製。

 

 

濾波器的特性

 

濾波器的技術指標包括插入損耗、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製作用越強。

 

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，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製效果。

 

4． 額定電壓

 

濾波器工作時允許的最高電壓。

 

5． 額定電流

 

濾波器工作時，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儲能元件組成的無源網絡。

 

有很好的頻率選擇特性，但容易產生諧振。

 

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：電容的作用是通過並聯一個低阻抗的通路，使騷擾電流分流，從而減小負載中的騷擾電流；電感的作用是通過串聯一個高阻抗，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足要求時
，可以采取多個濾波器級聯的方法。

 

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
，使騷擾信號的能量消耗在濾波器中
，以達到抑製幹擾的目的。

 

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(xi)收(shou)式(shi)濾(lv)波(bo)器(qi)采(cai)用(yong)鐵(tie)氧(yang)體(ti)材(cai)料(liao)或(huo)其(qi)他(ta)有(you)損(sun)耗(hao)材(cai)料(liao)，將(jiang)導(dao)線(xian)穿(chuan)過(guo)或(huo)纏(chan)繞(rao)在(zai)各(ge)種(zhong)形(xing)狀(zhuang)的(de)鐵(tie)氧(yang)體(ti)材(cai)料(liao)上(shang)
，利(li)用(yong)其(qi)電(dian)感(gan)及(ji)磁(ci)場(chang)渦(wo)流(liu)損(sun)耗(hao)阻(zu)斷(duan)騷(sao)擾(rao)信(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)播(bo)。

 

2.1 鐵氧體磁心

 

 

用鐵氧體材料製成環狀磁心
，與從中穿過的導線構成有損電感，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。低頻時主要取決於感抗，高頻時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製能力，被製成各種形狀及大小，廣泛應用於各種電子產品。

 

2.2 抗幹擾電纜

 

抗幹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、電磁幹擾濾波器

 

用於抑製電磁騷擾在電路中傳播的濾波器統稱為電磁幹擾濾波器（EMI濾波器）
，也有的稱為射頻幹擾濾波器（RFI濾波器）。

 

EMI濾波器通常是由串聯電感和並聯電容組成的低通濾波器。

 

EMI濾波器不但要抑製經兩根導線流通的騷擾信號（差模幹擾）
，而且還要抑製經任一根導線與地回路流通的騷擾信號（共模幹擾）。

 

 

EMI濾波器的基本電路結構

 

 

4、電源線濾波器

 

yizhishebeidechuandaofashehuotigaoduidianwangzhongsaoraodekangraoduchuleyaokaolvyuanzukanghefuzaizukangdepipeiwai，dianyuanxianlvboqidechuanliandianganhebingliandianrongxuanzhishoudaoyidingxianzhi。

 

串聯電感L值不能取得太大，否則會產生較大的電源壓降，影響正常供電
；接地的並聯電容值也不能取得太大

，否則對地漏電流增加，可能會超出限值而影響人身安全或引起漏電保護。

 

為滿足上述要求
，可使用共模扼流圈。

 

 

5

、 濾波連接器

 

90% 的電磁兼容問題是由於電纜造成的。這是因為電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線。

 

電纜之所以會輻射電磁波，是因為電纜端口處有共模電壓存在，電纜在這個共模電壓的驅動下
，如同一根單極天線。

 

濾波連接器的優點

 

（1） 濾波連接器能夠將電纜中的幹擾電流濾除，從而徹底消除電纜的輻射因素。

 

（2） 濾波連接器抑製電纜輻射比屏蔽電纜更穩地。

 

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

 

元件非理想特性對濾波的影響

 

電纜線對高頻騷擾具有天線作用，通常是在電纜線端口處並聯電容濾波。

 

有時濾波效果並不好，源於濾波電路及元件並非是理想情況，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。

 

電容和電感的引線盡量短
，應小於波長的1/100。

 

為改善電容器實際特性的影響，常將一個高頻性能好的小電容與一個大電容並聯使用。

 

 

2．互感的影響

 

並聯電容濾波時，高頻濾波效果比設想的差
，是因為並聯電容兩側的回路之間存在互感。

 

 

為減小互感
，可縮短電容引線長度、改變電路走線、采用四引線電容、采用表麵安裝電容等。

 

3．電容回路的電感

 

印製電路板上的電源平麵和地平麵之間、集成電路旁邊經常接濾波電容器，以抑製器件驅動時產生的電壓脈動，電容器的電荷釋放受到電感的限製。

 

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，或使用電源平麵和地平麵間距較小的電路板。

 

4．穿心電容和饋通濾波器

 

對於電纜線的濾波，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

 

濾波器是抑製交流串模幹擾的有效手段之一。傳感器檢測電路中常見的濾波電路有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
，利用小體積、低成本的無源Rc濾波器將會對串模幹擾有較好的抑製效果。但應該一提的是，Rc濾波器是以犧牲係統響應速度為代價來減少串模幹擾的。

 

交流電源濾波器

 

電源網絡吸收了各種高、低頻噪聲
，對此常用Lc濾波器來抑製混入電源的噪聲。

 

直流電源濾波器

 

直流電源往往為幾個電路所共用
，為了避免通過電源內阻造成幾個電路問相互幹擾
，應該在每個電路的直流電源上加上Rc或Lc退耦濾波器
，用來濾除低頻噪聲。

 

濾波技術的應用領域廣泛， 例如，在軍事上被大量應用於導航、製導、電子對抗
、戰場偵察

；在電力係統中被應用於能源分布規劃和自動檢測
；在環境保護中被應用於對空氣汙染和噪聲幹擾的自動監測等等，在電子工程技術中無處不在。

 

 

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