導(dǎo)讀：濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。本文主要對(duì)濾波器的原理、特性、常見種類及濾波器的選取。本文旨在通過前面部分的介紹從而提出參考性的意見幫助電路設(shè)計(jì)人員確定在哪種場(chǎng)合該選用哪種濾波器。

　　一、濾波器的原理特性

　　1.濾波器的原理介紹

　　濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路。濾波器，顧名思義，是對(duì)波進(jìn)行過濾的器件?！安ā笔且粋€(gè)非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時(shí)間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，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)。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)所攜帶的信息的過程。也就是說，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。

　　2.濾波器的技術(shù)特性

　?。?）特征頻率：

　　a.通帶截頻fp=wp/（2p）為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限；

　　b.阻帶截頻fr=wr/（2p）為阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗下降到一人為規(guī)定的下限；

　　c.轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/（2p）為信號(hào)功率衰減到1/2（約3dB）時(shí)的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻；

　　d.固有頻率f0=w0/（2p）為電路沒有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。

　　（2）增益與衰耗

　　濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。

　　a.對(duì)低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時(shí)的增益；高通指w→∞時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益；

　　b.對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)；

　　c.通帶增益變化量△Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的變化量，如果△Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。

　?。?）阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)

　　阻尼系數(shù)是表征濾波器對(duì)角頻率為w0信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。

　　阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是*價(jià)帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)，Q= w0/△w.式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。

　?。?）靈敏度

　　濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對(duì)某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy,定義為：Sxy=（dy/y）/（dx/x）。

　　該靈敏度與測(cè)量?jī)x器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個(gè)概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯(cuò)能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。

　?。?）群時(shí)延函數(shù)

　　當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，為保證輸出信號(hào)失真度不超過允許范圍，對(duì)其相頻特性∮（w）也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計(jì)中，常用群時(shí)延函數(shù)d∮（w）/dw*價(jià)信號(hào)經(jīng)濾波后相位失真程度。群時(shí)延函數(shù)d∮（w）/dw越接近常數(shù)，信號(hào)相位失真越小。

　　二、濾波器的常見分類

　　1.根據(jù)濾波器的選頻作用分類

　　（1）低通濾波器。從0~f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。

　?。?）高通濾波器。與低通濾波相反，從頻率f1~∞，其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。

　?。?）帶通濾波器。它的通頻帶在f1~f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。

　?。?）帶阻濾波器。與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1~f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過。

　　2.按所采用的元器件分類

　?。?）無源濾波器。僅由無源元件組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

　?。?）有源濾波器。由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。

　　3.根據(jù)“逼近特性”標(biāo)準(zhǔn)分類

　?。?）巴特沃斯濾波器。從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有平坦幅度特性，其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：

　?。?）切比雪夫?yàn)V波器。切貝雪夫?yàn)V波器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的，其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：迨薔齠ㄍùㄎ拼笮〉南凳?，波晤l牟怯捎謔導(dǎo)事瞬ㄍ韁瀉械緲乖籘n是類切貝雪夫多項(xiàng)式。與巴特沃斯逼近特性相比較，這種特性雖然在通帶內(nèi)有起伏，但對(duì)同樣的n值在進(jìn)入阻帶以后衰減更陡峭，更接近理想情況。逯翟叫?，通带气|叫?，截中M德實(shí)闥ゼ醯姆直粗狄蒼叫?，但进入阻带后衰减虆Q員浠郝G斜囪┓蚵瞬ㄆ饔氚吞匚炙孤瞬ㄆ鶻斜冉?，切眹瑭夫滤波祈d耐ù脅ㄎ疲紗岫鋼?，因此，哉E輝市磽ù謨形撇ǖ那榭魷攏吞匚炙剮透扇。淮酉嗥迪煊純?，巴特沃藙庿r龐誶斜囪┓蛐?，通过蓮B娑急冉峽梢鑰闖觶罷叩南嗥迪煊Ω詠謚畢摺

　?。?）貝塞爾濾波器。只滿足相頻特性而不關(guān)心幅頻特性。貝塞爾濾波器又稱平時(shí)延或恒時(shí)延濾波器。其相移和頻率成正比，即為一線性關(guān)系。但是由于它的幅頻特性欠佳，而往往限制了它的應(yīng)用。

　　一般來講，低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器，例如：低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。

　　三、濾波器的選取

　　濾波器的選取需要考慮以下幾點(diǎn)因素：

　　1.電壓。這個(gè)電壓值要求是一個(gè)范圍，是穩(wěn)態(tài)電壓±紋波電壓的綜合。

　　2.電流。電流的指標(biāo)很關(guān)鍵，它決定了濾波器內(nèi)部的電感的繞組銅線和引出線的線徑。如果選細(xì)了，細(xì)導(dǎo)線上跑大電流，如小馬拉大車，會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱以至燒毀。這個(gè)電流也是一個(gè)范圍，穩(wěn)態(tài)電流+波動(dòng)電流的值。

　　3.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。既然是濾波器，為的就是濾掉一些不期望的頻段，而濾除的效果一般是由EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的直觀結(jié)果來確定。尤其是電源濾波器，能確定用此濾波器的產(chǎn)品需要通過的是哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的不同，在選擇時(shí)也有其特定的測(cè)試頻段要求。

　　電源濾波器的主要針對(duì)指標(biāo)是傳導(dǎo)發(fā)射CE和傳導(dǎo)抗擾CS,信號(hào)濾波器的則主要看EMC標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)不期望輸入頻段和不期望輸出頻段的要求了。比如無極燈用的整流器，本身就是一個(gè)開關(guān)工作狀態(tài)，會(huì)有對(duì)外的發(fā)射，EMC測(cè)試時(shí)候會(huì)重點(diǎn)檢查其開關(guān)頻率以及其高次諧波成分的傳導(dǎo)干擾，濾波器就需要針對(duì)這些特定頻段或頻點(diǎn)具有足夠的濾除效果。

　　4.安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。讀者可能會(huì)覺得奇怪，選濾波器，說安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)干啥？這是因?yàn)闉V波器一般用在電源輸入端和板卡的接口處，這些部位都是安規(guī)問題的重災(zāi)區(qū)。等于是濾波器一身承擔(dān)了多個(gè)要求。與濾波器有關(guān)的安規(guī)重點(diǎn)是三個(gè)指標(biāo)：絕緣耐壓、漏電流、剩余電壓剩余能量。

　　絕緣耐壓打LN對(duì)地的絕緣強(qiáng)度，考驗(yàn)的是Y電容的耐壓值，Y電容大了，漏電流就會(huì)大，容易導(dǎo)致安規(guī)要求上的漏電流超標(biāo)，現(xiàn)在有部分廠家設(shè)計(jì)上就采取了輸入端無Y電容設(shè)計(jì)（如圖）。這樣LN對(duì)G就成了LN通過L1、Cy1、Cy2、G’對(duì)G了，而G和G‘是不連的。如果采用了輸入端接Y電容的方式，即將Cy1和Cy2放到前面R的左面來，則測(cè)試時(shí)須注意絕緣耐壓的設(shè)定和漏電流的大小是正相關(guān)的，不超過20mA.曾經(jīng)遇到過差點(diǎn)被退貨說濾波器安規(guī)不合格的情況，經(jīng)查是1500V時(shí)漏電流設(shè)定為2mA（應(yīng)為5mA），測(cè)試儀器報(bào)警就是正常的了。另一個(gè)問題就是R的選擇，有好多廠家的濾波器沒裝這個(gè)電阻，在拔掉插頭后，在較短的時(shí)間內(nèi)，去摸電源的插口，如果會(huì)有被電的感覺，問題就出在沒裝這個(gè)電阻上。這是個(gè)高耐壓、起泄放電作用的功率電阻。

　　5.濾波器電路結(jié)構(gòu)形式。電路結(jié)構(gòu)形式和期間的參數(shù)選擇是濾波器的，但就是在這一部分，應(yīng)用工程師的選擇常常兩眼一摸黑著選，雖然大多時(shí)候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的設(shè)計(jì)方式，浪費(fèi)資源、埋留隱患的可能性就大大增加。

　　6.插損曲線。濾波器的插損測(cè)量當(dāng)不得真。舉例來說，如果我們發(fā)現(xiàn)100KHz超標(biāo)13dB,選擇了一款濾波器，從插損曲線上看出其在100KHz時(shí)的插損是20dB,覺得此濾波器用上去就肯定就沒問題，那就錯(cuò)了。另外，插損分共模插損和差模插損，一般對(duì)30MHz以上的干擾，選擇共模插損滿足上面要求的濾波器，10MHz以下的干擾選擇差模插損滿足要求的濾波器，對(duì)上例100KHz,選擇差模插損33dB的濾波器。

　　7.安裝工藝規(guī)范。濾波器的安裝是僅次于電路結(jié)構(gòu)形式和組成器件指標(biāo)的技術(shù)要素。主要體現(xiàn)在濾波器的位置、接地的措施。位置要求靠近輸入或輸出端，為的避免輸入端輸出端線纜上的高頻干擾輻射出來影響到其他電路；輸入線輸出線不得并行走線，不得靠近走線，以免相互串?dāng)_造成該干凈的干凈不了；濾波器課題是金屬殼體，接地要求面接地而不是線接地，須保證整個(gè)面與地接觸良好，不能僅靠固定引腳的螺絲或上面引出的接地導(dǎo)線來接地，導(dǎo)線接地的引線電感量大，高頻接地阻抗偏高導(dǎo)致高頻接地不良，濾波效果不好；接地線纜不宜用擰接方式，必須選用焊接方式。

　　8.濾波器的Q值。Q值對(duì)實(shí)際濾波效果影響倒不大，但Q值代表的是損耗 / 輸入功率，Q值越高，說明損耗越大，意指會(huì)有部分能量在濾波器的電感上被損耗掉。在一般的低功率電源濾波器和信號(hào)濾波器上，此問題不會(huì)太突出。但在較大功率的濾波器上，這個(gè)損耗不可小視，一是會(huì)引起發(fā)熱，發(fā)熱后的電容會(huì)引起較大的負(fù)面影響，漏電流、耐壓、容值等都會(huì)隨溫度變化而變化；二是耗電量大會(huì)導(dǎo)致無謂的電損失。