濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。換句話説，凡是可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統都稱之為濾波器。濾波器，是對波進行過濾的器件。“波”是一個非常廣泛的物理概念，在電子技術領域，“波”被狹義地侷限於特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函數，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間是連續取值的，所以稱之為連續時間信號，又習慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。

濾波是信號處理中的一個重要概念，在直流穩壓電源中濾波電路的作用是儘可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波係數降低，波形變得比較平滑。

濾波器的主要參數：

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，高通則以未出現寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準。

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。

插入損耗（Insertion Loss）：由於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徵，如要求全帶內插損需強調。

紋波（Ripple）：指1dB或3dB帶寬（截止頻率）範圍內，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峯值。

帶內波動（Passband Ripple）：通帶內插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內的帶內波動是1dB。

帶內駐波比（VSWR）：衡量濾波器通帶內信號是否良好匹配傳輸的一項重要指標。理想匹配VSWR=1：1，失配時VSWR 大於1。對於一個實際的濾波器而言，滿足VSWR小於1.5：1的帶寬一般小於BW3dB，其佔BW3dB的比例與濾波器階數和插損相關。

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，也等於20Log10ρ，ρ為電壓反射係數。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。

阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標。該指標越高説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；另一種為提出表徵濾波器幅頻響應與理想矩形接近程度的指標——矩形係數（KxdB大於1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可為40dB、30dB、20dB等）。濾波器階數越多矩形度越高——即K越接近理想值1，製作難度當然也就越大。

延遲（Td）：指信號通過濾波器所需要的時間，數值上為傳輸相位函數對角頻率的導數，即Td=df/dv。

帶內相位線性度：該指標表徵濾波器對通帶內傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應函數設計的濾波器具有良好的相位線性度。

按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

無源濾波器中按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器五種。

低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；

高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；

帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低於或高於該頻段的信號、干擾和噪聲；

帶阻濾波器：它抑制一定頻段內的信號，允許該頻段以外的信號通過，又稱為陷波濾波器。 ^[1] 

全通濾波器：全通濾波器是指在全頻帶範圍內，信號的幅值不會改變，也就是全頻帶內幅值增益恆等於1。一般全通濾波器用於移相，也就是説，對輸入信號的相位進行改變，理想情況是相移與頻率成正比，相當於一個時間延時系統。

按所採用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

根據濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和麪板濾波器。

板上濾波器安裝在線路板上，如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優點是經濟，缺點是高頻濾波效果欠佳。其主要原因是：

1、濾波器的輸入與輸出之間沒有隔離，容易發生耦合；

2、濾波器的接地阻抗不是很低，削弱了高頻旁路效果；

3、濾波器與機箱之間的一段連線會產生兩種不良作用： 一個是機箱內部空間的電磁干擾會直接感應到這段線上，沿着電纜傳出機箱，藉助電纜輻射，使濾波器失效；另一個是外界干擾在被板上濾波器濾波之前，藉助這段線產生輻射，或直接與線路板上的電路發生耦合，造成敏感度問題；

濾波陣列板、濾波連接器等面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上。由於直接安裝在金屬面板上，濾波器的輸入與輸出之間完全隔離，接地良好，電纜上的干擾在機箱端口上被濾除，因此濾波效果相當理想。

數字濾波器是與模擬濾波器相對應的，我們在常用的離散系統中， 使用數字濾波器。它的主要作用是利用離散時間系統的特性，在這裏 時間就是一個變量，然後在對外部輸入的信號，進行處理，這裏的輸 入信號一般都是廣義上的波形型號，信號可以是電壓、電流、功率等。 當然也有類似於頻率等這種。在實際的操作中，我們也可以把輸入的信號波形變成輸出，也就是將輸入和輸出倒置。從而實現我們將信號的頻譜修改的目的。 ^[2] 

數字濾波器有多種方式可以實現信號的處理，我們介紹在實際中使用最多的兩種，一種是我們集成電路的方式將集成電路的各種元 器件組成一個專用的設備，這種設備稱之為數字信號處理機，類似於arm架構或者單片機架構的數字處理機就是我們常用的一種，這種方式對於成套批量的需求商用價值比較高，因為造價成本比較低，受到了市場的歡迎；另一種就是使用我們平常使用的x86/x64的商用或者工控計算機進行模擬仿真，這個完全是使用應用軟件進行仿真的，這種方式也在實驗室或者大型的數字濾波項目中使用，這種方式成本較高，不適宜與大批量的生產與配套。但是在實驗室是最好的一種模擬方式，在高階模擬和運算中有非常大的優勢。 ^[2] 

數字濾波器主要有兩種，一種是IIR，我們稱之為無限的衝激響應濾波器，另外一種是FIR，這種濾波器是與IIR相對應的，這個是有限的衝激響應濾波器。兩個系統都是有各自的特點的，FIR的濾波器是沒有閉環的反饋的環路信號，它的結構比較簡單，可以實現比較嚴格的線性方程的相位的計算，一般情況下相位的要求不嚴格一 般不會使用這個濾波器，相反的話，會採用這種濾波器。當然在很多的場景下面，我們要對信號進行一些實時的處理，當現場的信號數據越來越多的情況下，我們對硬件的性能要求就越來越高，市面上很多的單片機已經無法滿足我們實際的功能需求，一般的8位的16位的乃至32位的單片機以及ARM芯片已經不能在對算法進行支撐，由於專門為數字處理設計的DSP控制器的出現，提高了我們濾波器的效率，DSP很多情況下可以使用多組總線的方式，並行處理多組實時的數據，獨立的一些算法器充分的使用大大提高了我們濾波器的效率。對於硬件上的短板完全可以由DSP的芯片進行彌補，做到對數字信號的實時處理與計算。DSP與普通的微處理器相比有很大的數字信號的處理優勢，他是單片機以及ARM的繼承，為信號處理做了一些局部的開發和改進，大大的增強了數字處理的能力，它有特定的數據流程格式、有特定的算法器，有特殊的系統結構為解決複雜的數字信號的處理提供了很多優越的條件和基礎，通過對DSP的編程可以實現IIR濾波器。 FIR濾波器實際上有一定的缺陷，這類系統只有零點，它不會跟IIR系統的那樣容易獲取比較好衰減的特性，但是也有更加明顯的優勢。他是通過非硬件電路實現的，相比硬件電路實現濾波器主要優點有很多，例如，效率很高、有極點、有反饋等。 ^[2] 

程控濾波系統是在傳統濾波器的不足中提出的，傳統濾波器在工作時產生誤差，會影響整個系統的精確度。低精度的濾波器在使用時會造成很多不良後果，而且傳統濾波器對波形要求越高就意味着需要更多的運放，這是非常麻煩的。所以程控濾波器的數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節數，可以有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產 效率和產品的可維護性。 ^[3] 

無源濾波器是利用電阻、電抗器和電容器元器件構成的濾波電路。諧振頻率時，電路阻抗值最小，非諧振頻率時，電路阻抗比很大，將電路元器件數值調整到某一特徵諧波頻率，則能濾除該次諧波電流；當若干諧波頻率的調諧電路組成在一起，則能濾除對應的特徵諧波頻率，通過低阻抗旁路實現對主要次數諧波（3、5、7）的過濾。主要原理就是針對不同次數諧波，設計該諧波頻率的阻抗為很小，實現諧波電流的分流效應，即為預濾除的高次諧波提供旁路通道，實現淨化波形。

無源濾波器按接線形式可分為電容濾波器、電廠濾波電路、L型RC濾波電路、π形RC濾波電路、多節π形RC 濾波電路、π形LC濾波電路。按功能可分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器、高通濾波器。無源濾波器具有如下優勢：結構 形式簡單、投資費用低，能夠補償系統中的無功分量、改善電網功率因數；工作穩定性較高、維護簡單、技術成熟等，在有源濾波器出現以前被廣泛採用。無源濾波器的缺點也有很多方面：受電網參數的影響較大，系統阻抗值和主要次數諧振頻率往往隨着工況發生變化；諧波濾除的頻帶也較窄，只能濾除主要次數的諧波，或因發生並聯諧振，放大一些次數的諧波；濾波和無功補償及調壓之間的協調較困難 ；隨着流經濾波器的電流升高，可能造成設備過負荷運行；耗材多，重量和體積都較大；運行穩定性較差等缺點。因此，整體性能更優的有源濾波器得到越來越多的應用。 ^[4] 

有源濾波器主要作用不僅能動態追蹤並抑制諧波，而且可以補償電網中較低的無功分量。它能夠對幅值和頻率都波動的高次諧波分量進行補償，以及對變化的系統無功分量進行動態補償，克服了傳統型式諧波治理方案和無功補償的缺點，達到了動態跟蹤補償的效果。APF的基本原理是檢測當前系統的電壓和電流信號，通過指令電流運算電路的運算，產生補償電流信號，並將其指令由補償電流發生電路按諧波信號放大，從而得到補償電流，再與系統中的高次諧波分量及無功等電流抵消，實現系統波形的正弦化，濾除電網諧波，提高電能質量。有源濾波器和無源濾波器的區別，在於需要電源供電，且既補諧波又補無功。指令電流運算電路和補償電流發生電路是有源濾波器的兩個重要組成部分。指令電流運算電路的作用是檢測出系統所需補償的諧波分量和無功分量等。補償電流發生電路的作用是按照上述檢測到的諧波分量和無功分量，發出補償電流指令，產生能夠抵消的補償電流，它主要由三部分構成 ：電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路。 ^[4] 

根據儲能元件的不同，有源濾波器可以分為電壓型有源濾波器和電流型有源濾波器。電壓型有源濾波器，因其損耗少、效率高，被廣泛使用。電流型有源濾波器，因損耗大、效率低，而較少採用。按照交直流電源可分為直流 APF 和交流 APF。按照電路拓樸結構分類，可分為串聯型 APF、並聯型 APF 和串並聯型，以及APF和PPF的混合型使用方式。與無源濾波器相比，有源濾波器有許多優點：響應速度快，可控性能非常強；具有自適應功能，能夠動態跟蹤和補償系統高次諧波；穩定性高，不受系統阻抗影響，避免諧振的發生；能夠抑制閃變；補償系統不足的無功分量等。機櫃式系統採用模塊化結構，聯絡設計細密，可隨時根據現場實際需求擴容，可拓展性強，模塊化的配置方式和小巧的體積讓設計者有更多的選擇，並可最大程度節省用户空間，可實現彈性的容量配置，支持後續現場容量擴展。現場安裝和維修維護更是簡單拔插即可。 抽屜式結構，能夠滿足用户單獨對模塊設計，選用優良的架構形式，具備DSP處理能力，運用大型可編程控制器操作，選用大功率電力電子組件，具有可外傳的通信端口，還可附於其他盤櫃中獨立工作。 ^[4] 

板上濾波器雖然對高頻的濾波效果不理想，但是如果應用得當，可以滿足大部分民用產品電磁兼容的要求。在使用時要注意以下事項：

如果決定使用板上濾波器，在佈線時就要注意在電纜端口處留出一塊“乾淨地”，濾波器和連接器都安裝在“乾淨地”上。通過前面的討論，可知信號地線上的干擾是十分嚴重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上，會造成嚴重的共模輻射問題。為了取得較好的濾波效果，必須準備一塊乾淨地。並與信號地只能在一點連接起來，這個流通點稱為“橋”，所有信號線都從橋上通過，以減小信號環路面積。

並排設置：同一組電纜內的所有導線的未濾波部分在—起，已濾波部分在一起。否則，一根導線的耒濾波部分會將另一根導線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效。

靠近電纜：濾波器與面板之間的導線的距離應儘量短。必要時，使用金屬板遮擋一下，隔離近場干擾。

與機箱接：安裝濾波器的乾淨地要與金屬機箱可靠地搭接起來，如果機箱不是金屬的，就在線路板下方設置一塊較大的金屬板來作為濾波地。乾淨地與金屬機箱之間的搭接要保證很低的射頻阻抗。如有必要，可以使用電磁密封襯墊搭接，增加搭接面積，減小射頻阻抗。

接地線短：考慮到引腳的電感效應，其重要性前面已討論，濾波器的局部佈線和設計線路板與機箱（金屬板）的連接結構時要特別注意。