導(dǎo)讀：濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件。隨著電子市場(chǎng)的不斷發(fā)展濾波器也越來(lái)越被廣泛生產(chǎn)和使用于通信、控制等系統(tǒng)中。然而，對(duì)于它們直接的區(qū)別，我們還是要認(rèn)識(shí)清楚，不然的話，如果不能充分發(fā)揮它們的特性有可能也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不利的影響。

　　一、濾波器簡(jiǎn)要介紹

　　濾波器，是對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾的器件。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過(guò)程。該過(guò)程通過(guò)各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，稱之為各種物理量的時(shí)間波形，或者稱之為信號(hào)。因?yàn)樽宰兞繒r(shí)間‘是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(hào)。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換成離散時(shí)間信號(hào)的完整的理論和方法。也就是說(shuō)，可以只用原模擬信號(hào)在一系列離散時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)上的樣本值表達(dá)原始信號(hào)而不丟失任何信息，波、波形、信號(hào)這些概念既然表達(dá)的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號(hào)的傳遞。信號(hào)在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時(shí)，甚至是在相當(dāng)多的情況下，這種畸變還很嚴(yán)重，以致于信號(hào)及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了。簡(jiǎn)要的說(shuō)，濾波器是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。

　　濾波器主要分為有源濾波器和無(wú)源濾波器。主要作用是讓有用信號(hào)盡可能無(wú)衰減的通過(guò)，對(duì)無(wú)用信號(hào)盡可能大的反射。濾波器一般有兩個(gè)端口，一個(gè)輸入信號(hào)、一個(gè)輸出信號(hào)，利用這個(gè)特性可以選通通過(guò)濾波器的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，而得到一個(gè)特定頻率的正弦波。濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。 濾波器中，把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。

　　二、區(qū)別濾波器的不同應(yīng)用

　　濾波器它們可以被用來(lái)消除噪聲、干擾、減小頻率分量的混疊，也能衰減某些特定頻率點(diǎn)上的諧振。在控制系統(tǒng)中，很多方法、概念就是由通信系統(tǒng)中借鑒過(guò)來(lái)的，例如工控領(lǐng)域廣泛使用的PWM技術(shù)就源自通信領(lǐng)域。不過(guò)借鑒歸借鑒，對(duì)于它們直接的區(qū)別，還是要認(rèn)識(shí)清楚的。比如拿一個(gè)低通濾波器來(lái)，是不是只要設(shè)置了截止頻率，別的就不管了呢？這樣的使用方法，既不能充分發(fā)揮它們的特性，也有可能對(duì)系統(tǒng)造成不利的影響。

　　在控制系統(tǒng)中，上面的特性很難找到對(duì)應(yīng)的實(shí)際意義，而且其信號(hào)的特征與通信系統(tǒng)中的許多應(yīng)用都有一個(gè)顯著的區(qū)別，就是其頻率往往比較低，往往只有是幾百甚至幾十Hz,高的情況也不過(guò)幾千Hz;例如即使是在性能很高的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，其閉環(huán)的電流內(nèi)環(huán)的帶寬往往也只能達(dá)到1kHz左右，所以在這些應(yīng)用中，除了A/D輸入端的抗混疊濾波器以外，其它濾波器的截止頻率基本是不超過(guò)1kHz的（如果超過(guò)了就沒有實(shí)際意義了，因?yàn)橄到y(tǒng)中更高頻率的信號(hào)很少，系統(tǒng)本身的低帶寬使得它看起來(lái)像一個(gè)低通濾波器）。

　　在控制系統(tǒng)中，使用多的就屬低通濾波器了。低通濾波器的濾波效果無(wú)庸置疑，但是它對(duì)控制系統(tǒng)的負(fù)面影響也是顯而易見的。低通濾波器會(huì)引起波特圖中，增益頻率穿越處的相位滯后，從而減小穩(wěn)定裕度，給控制系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性。例如，一個(gè)雙極點(diǎn)的低通濾波器，假設(shè)其帶寬為800Hz,則輸出信號(hào)的幅值在前面幾百Hz都是幾乎無(wú)衰減的，直到800Hz時(shí)才衰減到70.7%;但是其相位可以從80Hz的時(shí)候就開始快速下降了。如果一個(gè)控制系統(tǒng)中有多個(gè)這樣的濾波器，則幾個(gè)這樣的濾波器一疊加，再加上其它的延時(shí)環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)的相位裕度就非常小了，甚至很容易達(dá)到180度的相位延時(shí)；如果整好反饋增益又為1,則整個(gè)控制系統(tǒng)就徹底不穩(wěn)定了（相當(dāng)于正反饋）。所以在控制系統(tǒng)中使用濾波器時(shí)，都是小心、謹(jǐn)慎，盡可能地減小相位延遲對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的影響。

　　而在通信和數(shù)字信號(hào)處理教材中，一些窗函數(shù)，例如巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫、橢圓等經(jīng)常被反復(fù)講解，而在控制系統(tǒng)中，一般情況下只有巴特沃斯型的會(huì)被用到，因?yàn)橹挥兴划a(chǎn)生凸峰，從而不會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)額外的超調(diào)。再比如我們經(jīng)常會(huì)討論到有限沖擊響應(yīng)FIR濾波器，它可以實(shí)現(xiàn)高階濾波，對(duì)系數(shù)量化的變化不敏感，而且不會(huì)產(chǎn)生極限環(huán)，所以在通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用；例如在電話中，F(xiàn)IR的陡峭的衰減特性就很適合。而在控制系統(tǒng)中，除了極少的場(chǎng)合使用FIR進(jìn)行滑動(dòng)平均值濾波以外，F(xiàn)IR并不常用。一方面是控制系統(tǒng)中極少使用3階以上的控制器（還是穩(wěn)定性問(wèn)題），另一方面FIR需要的計(jì)算能力也需要占用大量的處理器時(shí)間，而控制系統(tǒng)中復(fù)雜的控制算法本身還需要處理器以較短的時(shí)間完成處理，例如在幾十微秒到兩三百微秒的定時(shí)中斷中，必須完成有關(guān)的計(jì)算。

　　三、使用濾波器時(shí)的注意事項(xiàng)

　　濾波器在使用時(shí)要注意以下事項(xiàng)：

　　1.“干凈地”:如果決定使用濾波器，在布線時(shí)就要注意在電纜端口處留出一塊“干凈地”,濾波器和連接器都安裝在“干凈地”上。通過(guò)前面的討論，可知信號(hào)地線上的干擾是十分嚴(yán)重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上，會(huì)造成嚴(yán)重的共模輻射問(wèn)題。為了取得較好的濾波效果，必須準(zhǔn)備一塊干凈地。并與信號(hào)地只能在一點(diǎn)連接起來(lái)，這個(gè)流通點(diǎn)稱為“橋”,所有信號(hào)線都從橋上通過(guò)，以減小信號(hào)環(huán)路面積。

　　2.并排設(shè)置：同一組電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線的未濾波部分在-起，已濾波部分在一起。否則，一根導(dǎo)線的耒濾波部分會(huì)將另一根導(dǎo)線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效。

　　3.靠近電纜：濾波器與面板之間的導(dǎo)線的距離應(yīng)盡量短。必要時(shí)，使用金屬板遮擋一下，隔離近場(chǎng)干擾。

　　4.與機(jī)箱接：安裝濾波器的干諍地要與金屬機(jī)箱可靠地搭接起來(lái)，如果機(jī)箱不是金屬的，就在線路板下方設(shè)置一塊較大的金屬板來(lái)作為濾波地。干凈地與金屬機(jī)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。

　　5.接地線短：考慮到引腳的電感效應(yīng)，其重要性前面已討淪，濾波器的局部布線和設(shè)計(jì)線路板與機(jī)箱（金屬板）的連接結(jié)構(gòu)時(shí)要特別注意。

　　6.分組：在端口濾波的電纜和不濾波的電纜應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，防止發(fā)生上述的耦合問(wèn)題。