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滤波器的不同应用介绍

作者:dolphin时间:2017-04-13

滤波器是一种对信号有处理作用的器件。随着电子市场的不断发展滤波器也越来越被广泛生产和使用于通信、控制等系统中。然而,对于它们直接的区别,我们还是要认识清楚,不然的话,如果不能充分发挥它们的特性有可能也会对系统造成不利的影响。
  一、滤波器简要介绍
  滤波器,是对波进行过滤的器件。滤波,本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。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。
  

  随着计算机技术的产生和飞速发展,为了便于计算机对信号进行处理,产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说,可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息,波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化,自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播,靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变,有时,甚至是在相当多的情况下,这种畸变还很严重,以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。简要的说,滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
  滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过,对无用信号尽可能大的反射。滤波器一般有两个端口,一个输入信号、一个输出信号,利用这个特性可以选通通过滤波器的一个方波群或复合噪波,而得到一个特定频率的正弦波。滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个选频电路。 滤波器中,把信号能够通过的频率范围,称为通频带或通带;反之,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带;通带和阻带之间的分界频率称为截止频率;滤波器是由电感器和电容器构成的网路,可使混合的交直流电流分开。电源整流器中,即借助此网路滤净脉动直流中的涟波,而获得比较纯净的直流输出。
  二、区别滤波器的不同应用
  滤波器它们可以被用来消除噪声、干扰、减小频率分量的混叠,也能衰减某些特定频率点上的谐振。在控制系统中,很多方法、概念就是由通信系统中借鉴过来的,例如工控领域广泛使用的PWM技术就源自通信领域。不过借鉴归借鉴,对于它们直接的区别,还是要认识清楚的。比如拿一个低通滤波器来,是不是只要设置了截止频率,别的就不管了呢?这样的使用方法,既不能充分发挥它们的特性,也有可能对系统造成不利的影响。
  在控制系统中,上面的特性很难找到对应的实际意义,而且其信号的特征与通信系统中的许多应用都有一个显着的区别,就是其频率往往比较低,往往只有是几百甚至几十Hz,高的情况也不过几千Hz;例如即使是在性能很高的电机调速系统中,其闭环的电流内环的带宽往往也只能达到1kHz左右,所以在这些应用中,除了A/D输入端的抗混叠滤波器以外,其它滤波器的截止频率基本是不超过1kHz的(如果超过了就没有实际意义了,因为系统中更高频率的信号很少,系统本身的低带宽使得它看起来像一个低通滤波器)。
  在控制系统中,使用最多的就属低通滤波器了。低通滤波器的滤波效果无庸置疑,但是它对控制系统的负面影响也是显而易见的。低通滤波器会引起波特图中,增益频率穿越处的相位滞后,从而减小稳定裕度,给控制系统带来不稳定性。例如,一个双极点的低通滤波器,假设其带宽为800Hz,则输出信号的幅值在前面几百Hz都是几乎无衰减的,直到800Hz时才衰减到70.7%;但是其相位可以从80Hz的时候就开始快速下降了。如果一个控制系统中有多个这样的滤波器,则几个这样的滤波器一叠加,再加上其它的延时环节,整个系统的相位裕度就非常小了,甚至很容易达到180度的相位延时;如果整好反馈增益又为1,则整个控制系统就彻底不稳定了(相当于正反馈)。所以在控制系统中使用滤波器时,都是小心、谨慎,尽可能地减小相位延迟对整个闭环系统的影响。
  而在通信和数字信号处理教材中,一些窗函数,例如巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫、椭圆等经常被反复讲解,而在控制系统中,一般情况下只有巴特沃斯型的会被用到,因为只有它不产生凸峰,从而不会导致控制系统额外的超调。再比如我们经常会讨论到有限冲击响应FIR滤波器,它可以实现高阶滤波,对系数量化的变化不敏感,而且不会产生极限环,所以在通信系统中被广泛应用;例如在电话中,FIR的陡峭的衰减特性就很适合。而在控制系统中,除了极少的场合使用FIR进行滑动平均值滤波以外,FIR并不常用。一方面是控制系统中极少使用3阶以上的控制器(还是稳定性问题),另一方面FIR需要的计算能力也需要占用大量的处理器时间,而控制系统中复杂的控制算法本身还需要处理器以较短的时间完成处理,例如在几十微秒到两三百微秒的定时中断中,必须完成有关的计算。
  三、使用滤波器时的注意事项
  滤波器在使用时要注意以下事项:
  1.“干净地”:如果决定使用滤波器,在布线时就要注意在电缆端口处留出一块“干净地”,滤波器和连接器都安装在“干净地”上。通过前面的讨论,可知信号地线上的干扰是十分严重的。如果直接将电缆的滤波电容连接到这种地线上,会造成严重的共模辐射问题。为了取得较好的滤波效果,必须准备一块干净地。并与信号地只能在一点连接起来,这个流通点称为“桥”,所有信号线都从桥上通过,以减小信号环路面积。
  2.并排设置:同一组电缆内的所有导线的未滤波部分在-起,已滤波部分在一起。否则,一根导线的耒滤波部分会将另一根导线的已滤波部分重新污染9使电缆整体滤波失效。
  3.靠近电缆:滤波器与面板之间的导线的距离应尽量短。必要时,使用金属板遮挡一下,隔离近场干扰。
  4.与机箱接:安装滤波器的干诤地要与金属机箱可靠地搭接起来,如果机箱不是金属的,就在线路板下方设置一块较大的金属板来作为滤波地。干净地与金属机箱之间的搭接要保证很低的射频阻抗。如有必要,可以使用电磁密封衬垫搭接,增加搭接面积,减小射频阻抗。



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