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滤波器

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【摘要】:
滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。利
 
简介
滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用,可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说,凡是可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。滤波器,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。
滤波是信号处理中的一个重要概念,在直流稳压电源中滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分,保留其直流成分,使输出电压纹波系数降低,波形变得比较平滑。
滤波器的主要参数:
中心频率(Center Frequency):滤波器通带的频率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。
截止频率(Cutoff Frequency):指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为:低通以DC处插损为基准,高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。
通带带宽:指需要通过的频谱宽度,BW=(f2-f1)。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准。
插入损耗(Insertion Loss):由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗,以中心或截止频率处损耗表征,如要求全带内插损需强调。
纹波(Ripple):指1dB或3dB带宽(截止频率)范围内,插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰值。
带内波动(Passband Ripple):通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。
带内驻波比(VSWR):衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1:1,失配时VSWR>1。对于一个实际的滤波器而言,满足VSWR<1.5:1的带宽一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。
回波损耗(Return Loss):端口信号输入功率与反射功率之比的分贝(dB)数,也等于20Log10ρ,ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。
阻带抑制度:衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法:一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB,计算方法为fs处衰减量;另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可为40dB、30dB、20dB等)。滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1,制作难度当然也就越大。
延迟(Td):指信号通过滤波器所需要的时间,数值上为传输相位函数对角频率的导数,即Td=df/dv。
带内相位线性度:该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度。
主要分类:
按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。
按所通过信号的频段分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器五种。
低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声;
高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量;
带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声;
带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过,又称为陷波滤波器。 
全通滤波器:全通滤波器是指在全频带范围内,信号的幅值不会改变,也就是全频带内幅值增益恒等于1。一般全通滤波器用于移相,也就是说,对输入信号的相位进行改变,理想情况是相移与频率成正比,相当于一个时间延时系统。
按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

数字滤波器

定义
数字滤波器是与模拟滤波器相对应的,我们在常用的离散系统中, 使用数字滤波器。它的主要作用是利用离散时间系统的特性,在这里 时间就是一个变量,然后在对外部输入的信号,进行处理,这里的输 入信号一般都是广义上的波形型号,信号可以是电压、电流、功率等。 当然也有类似于频率等这种。在实际的操作中,我们也可以把输入的信号波形变成输出,也就是将输入和输出倒置。从而实现我们将信号的频谱修改的目的。 
实现技术手段
数字滤波器有多种方式可以实现信号的处理,我们介绍在实际中使用最多的两种,一种是我们集成电路的方式将集成电路的各种元 器件组成一个专用的设备,这种设备称之为数字信号处理机,类似于arm架构或者单片机架构的数字处理机就是我们常用的一种,这种方式对于成套批量的需求商用价值比较高,因为造价成本比较低,受到了市场的欢迎;另一种就是使用我们平常使用的x86/x64的商用或者工控计算机进行模拟仿真,这个完全是使用应用软件进行仿真的,这种方式也在实验室或者大型的数字滤波项目中使用,这种方式成本较高,不适宜与大批量的生产与配套。但是在实验室是最好的一种模拟方式,在高阶模拟和运算中有非常大的优势。 
数字滤波器的对比
数字滤波器现在主要有两种,一种是IIR,我们称之为无限的冲激响应滤波器,另外一种是FIR,这种滤波器是与IIR相对应的,这个是有限的冲激响应滤波器。两个系统都是有各自的特点的,FIR的滤波器是没有闭环的反馈的环路信号,它的结构比较简单,可以实现比较严格的线性方程的相位的计算,一般情况下相位的要求不严格一 般不会使用这个滤波器,相反的话,会采用这种滤波器。当然在很多的场景下面,我们要对信号进行一些实时的处理,当现场的信号数据越来越多的情况下,我们对硬件的性能要求就越来越高,市面上很多的单片机已经无法满足我们实际的功能需求,一般的8位的16位的乃至32位的单片机以及ARM芯片已经不能在对算法进行支撑,由于专门为数字处理设计的DSP控制器的出现,提高了我们滤波器的效率,DSP很多情况下可以使用多组总线的方式,并行处理多组实时的数据,独立的一些算法器充分的使用大大提高了我们滤波器的效率。对于硬件上的短板完全可以由DSP的芯片进行弥补,做到对数字信号的实时处理与计算。DSP与普通的微处理器相比有很大的数字信号的处理优势,他是单片机以及ARM的继承,为信号处理做了一些局部的开发和改进,大大的增强了数字处理的能力,它有特定的数据流程格式、有特定的算法器,有特殊的系统结构为解决复杂的数字信号的处理提供了很多优越的条件和基础,通过对DSP的编程可以实现IIR滤波器。 FIR滤波器实际上有一定的缺陷,这类系统只有零点,它不会跟IIR系统的那样容易获取比较好衰减的特性,但是也有更加明显的优势。他是通过非硬件电路实现的,相比硬件电路实现滤波器主要优点有很多,例如,效率很高、有极点、有反馈等。 

程控滤波系统

程控滤波系统是在传统滤波器的不足中提出的,传统滤波器在工作时产生误差,会影响整个系统的精确度。低精度的滤波器在使用时会造成很多不良后果,而且传统滤波器对波形要求越高就意味着需要跟多的运放,这是非常麻烦的。所以程控滤波器的数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数,可以有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高生产 效率和产品的可维护性。 

无源滤波器

无源滤波器是利用电阻电抗器电容器元器件构成的滤波电路。谐振频率时,电路阻抗值最小,非谐振频率时,电路阻抗比很大,将电路元器件数值调整到某一特征谐波频率,则能滤除该次谐波电流;当若干谐波频率的调谐电路组成在一起,则能滤除对应的特征谐波频率,通过低阻抗旁路实现对主要次数谐波(3、5、7)的过滤。主要原理就是针对不同次数谐波,设计该谐波频率的阻抗为很小,实现谐波电流的分流效应,即为预滤除的高次谐波提供旁路通道,实现净化波形。
无源滤波器按接线形式可分为电容滤波器、电厂滤波电路、L型RC滤波电路、π形RC滤波电路、多节π形RC 滤波电路、π形LC滤波电路。按功能可分为单调谐滤波器双调谐滤波器、高通滤波器。无源滤波器具有如下优势:结构 形式简单、投资费用低,能够补偿系统中的无功分量、改善电网功率因数;工作稳定性较高、维护简单、技术成熟等,在有源滤波器出现以前被广泛采用。无源滤波器的缺点也有很多方面:受电网参数的影响较大,系统阻抗值和主要次数谐振频率往往随着工况发生变化;谐波滤除的频带也较窄,只能滤除主要次数的谐波,或因发生并联谐振,放大一些次数的谐波;滤波和无功补偿及调压之间的协调较困难 ;随着流经滤波器的电流升高,可能造成设备过负荷运行;耗材多,重量和体积都较大;运行稳定性较差等缺点。因此,整体性能更优的有源滤波器得到越来越多的应用。 

有源滤波器

有源滤波器主要作用不仅能动态追踪并抑制谐波,而且可以补偿电网中较低的无功分量。它能够对幅值和频率都波动的高次谐波分量进行补偿,以及对变化的系统无功分量进行动态补偿,克服了传统型式谐波治理方案和无功补偿的缺点,达到了动态跟踪补偿的效果。APF的基本原理是检测当前系统的电压和电流信号,通过指令电流运算电路的运算,产生补偿电流信号,并将其指令由补偿电流发生电路按谐波信号放大,从而得到补偿电流,再与系统中的高次谐波分量及无功等电流抵消,实现系统波形的正弦化,滤除电网谐波,提高电能质量。有源滤波器和无源滤波器的区别,在于需要电源供电,且既补谐波又补无功。指令电流运算电路和补偿电流发生电路是有源滤波器的两个重要组成部分。指令电流运算电路的作用是检测出系统所需补偿的谐波分量和无功分量等。补偿电流发生电路的作用是按照上述检测到的谐波分量和无功分量,发出补偿电流指令,产生能够抵消的补偿电流,它主要由三部分构成 :电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。 
根据储能元件的不同,有源滤波器可以分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器。电压型有源滤波器,因其损耗少、效率高,被广泛使用。电流型有源滤波器,因损耗大、效率低,而较少采用。按照交直流电源可分为直流 APF 和交流 APF。按照电路拓朴结构分类,可分为串联型 APF、并联型 APF 和串并联型,以及APF和PPF的混合型使用方式。与无源滤波器相比,有源滤波器有许多优点:响应速度快,可控性能非常强;具有自适应功能,能够动态跟踪和补偿系统高次谐波;稳定性高,不受系统阻抗影响,避免谐振的发生;能够抑制闪变;补偿系统不足的无功分量等。机柜式系统采用模块化结构,联络设计细密,可随时根据现场实际需求扩容,可拓展性强,模块化的配置方式和小巧的体积让设计者有更多的选择,并可最大程度节省用户空间,可实现弹性的容量配置,支持后续现场容量扩展。现场安装和维修维护更是简单拔插即可。 抽屉式结构,能够满足用户单独对模块设计,选用优良的架构形式,具备DSP处理能力,运用大型可编程控制器操作,选用大功率电力电子组件,具有可外传的通信端口,还可附于其他盘柜中独立工作。
根据滤波器的安放位置不同,一般分为板上滤波器和面板滤波器。
板上滤波器安装在线路板上,如PLB、JLB系列滤波器。这种滤波器的优点是经济,缺点是高频滤波效果欠佳。其主要原因是:
1、滤波器的输入与输出之间没有隔离,容易发生耦合
2、滤波器的接地阻抗不是很低,削弱了高频旁路效果;
3、滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用: 一个是机箱内部空间的电磁干扰会直接感应到这段线上,沿着电缆传出机箱,借助电缆辐射,使滤波器失效;另一个是外界干扰在被板上滤波器滤波之前,借助这段线产生辐射,或直接与线路板上的电路发生耦合,造成敏感度问题;
滤波阵列板、滤波连接器等面板滤波器一般都直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接安装在金属面板上,滤波器的输入与输出之间完全隔离,接地良好,电缆上的干扰在机箱端口上被滤除,因此滤波效果相当理想。

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