濾波器是什么?濾波器是對波進行過濾的器件，一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號。可以說它是重要的電子元器件，濾波器把電源功率傳輸?shù)皆O備上，大大衰減經(jīng)電源傳入的EMI電磁干擾信號，保護設備免受其害;同時，又能有效地控制設備本身產(chǎn)生的EMI信號，防止它進入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設備。那么濾波器的工作原理是如何的?作用又是什么呢?本文將介紹濾波器的原理、濾波概念以及作用。
圖1 濾波器
1.基本原理
濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構成，它允許有用信號的電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理有三種：
(1)利用電容通高頻隔低頻的特性，將火線、零線高頻干擾電流導入地線(共模)，或將火線高頻干擾電流導入零線(差模);
(2)利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源;
(3)利用干擾抑制鐵氧體可將一定頻段的干擾信號吸收轉化為熱量的特性，針對某干擾信號的頻段選擇合適的干擾抑制鐵氧體磁環(huán)、磁珠直接套在需要濾波的電纜上即可。
圖2 濾波器形狀
2.濾波的概念
濾波是信號處理中的一個重要概念，濾波電路的作用是盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。
圖3 濾波前后波形
一般來說，濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。
經(jīng)典濾波是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念，根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。
換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。
圖4 濾波時域與頻域圖
在經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波中，濾波器模型其實是一樣的(硬件方面的濾波器其實進展并不大)，但現(xiàn)代濾波還加入了數(shù)字濾波的很多概念。
3.主要參數(shù)
通帶帶寬：指需要通過的頻譜寬度，BW=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準。
帶內(nèi)波動(Passband Ripple)：通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動是1dB。
紋波(Ripple)：指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內(nèi)，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峰值。
延遲(Td)：指信號通過濾波器所需要的時間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導數(shù)，即Td=df/dv。
帶內(nèi)相位線性度：該指標表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應函數(shù)設計的濾波器具有良好的相位線性度。
插入損耗(Insertion Loss)：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內(nèi)插損需強調。
回波損耗(Return Loss)：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數(shù)，也等于20Log10ρ，ρ為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。
中心頻率(Center Frequency)：濾波器通帶的頻率f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。
截止頻率(Cutoff Frequency)：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。相對損耗的參考基準為：低通以DC處插損為基準，高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準。
帶內(nèi)駐波比(VSWR)：衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜恕＠硐肫ヅ銿SWR=1：1，失配時VSWR>1。對于一個實際的濾波器而言，滿足VSWR<1.5：1的帶寬一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關。
阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標。該指標越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法：一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB，計算方法為fs處衰減量;另一種為提出表征濾波器幅頻響應與理想矩形接近程度的指標——矩形系數(shù)(KxdB>1)，KxdB=BWxdB/BW3dB，(X可為40dB、30dB、20dB等)。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作難度當然也就越大。
4.作用
(1)將有用的信號與噪聲分離，提高信號的抗干擾性及信噪比;
(2)濾掉不感興趣的頻率成分，提高分析精度;
(3)從復雜頻率成分中分離出單一的頻率分量。
圖5 濾波器外形
5.使用
為了提高電源的品質、電路的線性、減少各種雜波和非線性失真干擾和諧波干擾等均使用濾波器。對武器系統(tǒng)來講，使用濾波器的場所有：
(1)除總配電系統(tǒng)和分配電系統(tǒng)上設置電源濾波器外，進入設備的電源均要安裝濾波器，最好使用線至線濾波器，而不使用線至地濾波器。
(2)對脈沖干擾和瞬變干擾敏感的設備，使用隔離變壓器供電時，應在負端加裝濾波器。
(3)對含電爆裝置的武器系統(tǒng)供電時，應加濾波器。必要時，電爆裝置的引線也要加裝濾波器。
(4)各分系統(tǒng)或設備之間的接口處，應有濾波器抑制干擾，確保兼容。
(5)設備和分系統(tǒng)的控制信號，其輸入和輸出端均應加濾波器或旁路電容器。
本文總結了濾波器的原理、濾波概念、參數(shù)、作用以及使用注意事項。濾波器種類繁多，各種濾波器具有不同的性能特點，因此在濾波器選擇時，通常需要綜合考慮客戶的實際使用環(huán)境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。
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