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到設備上，大大衰減經電源傳入的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生的EMI信號，防止它進入電網，污染電磁環境，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?海翎光電的小編將在本文將介紹濾波器的原理、濾波概念以及作用。
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、磁珠直接套在需要濾波的電纜上即可。 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降低，波形變得比較平滑。
圖3 濾波前后波形
經典濾波是根據傅里葉分析和變換提出的一個工程概念，根據高等數學理論，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，叫做經典濾波器或濾波電路。 在經典濾波和現代濾波中，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)，但現代濾波還加入了數字濾波的很多概念。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。紋波(Ripple)：指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內，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：該指標表征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。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，如要求全帶內插損需強調。回波損耗(ReturnLoss)：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數，也等于20Log10ρ，ρ為電壓反射系數。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。中心頻率(CenterFrequency)：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(CutoffFrequency)：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。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>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(KxdB>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，制作難度當然也就越大。(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;
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。對武器系統來講，使用濾波器的場所有： (1)除總配電系統和分配電系統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)設備和分系統的控制信號，其輸入和輸出端均應加濾波器或旁路電容器。 以上海翎光電的小編總結了濾波器的原理、濾波概念、參數、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境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。 濾波器是一種選頻裝置，它能夠保留某一頻段的信號，將此頻段之外的信號消除。下面海翎光電的小編再來介紹不同分類依據下濾波器的特點。
根據濾波器的作用對象是模擬信號還是數字信號可將濾波器分為模擬濾波器和數字濾波器。 模擬濾波器處理模擬信號，它通常由電阻、電感、電容、運放等模擬元器件構成，在電路中位于ADC前端。 數字濾波器處理數字信號，它位于ADC后端，本質上來說，它是一種數字算法，最簡單的像均值濾波，將多個數值取平均值，就可以濾除信號中偶爾出現的尖峰。1.可編程。數字濾波器本身就是通過編程實現的，它的濾波算法有一組系數和工作時鐘頻率，通常這兩者都能很方便的調整，從而改變濾波效果，所以，如果應用中有實時更改濾波參數的需求，那么數字濾波器是個好選擇。2.可重復。數字濾波器是一段運行在控制芯片中的程序，它不會隨著時間、溫度、壓力等外部環境因素的變化而變化，所以數字濾波的特性是非常穩定的，換句話說，數字濾波器在不同條件下的性能完全相同。3.FIR（Finite Impulse Response，有限沖激響應）濾波器（又稱非遞歸型濾波器）具有恒定的延遲。數字濾波器分為FIR濾波器與IIR（infinite impulse response，無限沖擊響應）濾波器（又稱非遞歸濾波器）。其中，FIR濾波器因其架構特點，保證了不同頻率的信號通過FIR濾波器后的延時相同，信號不失真。模擬濾波器當然也有信號不失真的要求，但需要精心設計，且只能接近不失真，而不像FIR濾波器那樣，不失真是其固有特性。1.沒有混疊。數字濾波器需要ADC先將模擬信號轉換為數字信號，如果模擬信號中有超過ADC采樣頻率一半（此頻率稱為奈奎斯特頻率，Nyquist frequency）的信號通過ADC，那么采樣后的離散數字信號就不能完全還原出原本的模擬信號，這是采樣定理的描述。數字濾波器無法區別較低頻率的信號與超過奈奎斯特頻率的信號，所以它不像期望的那樣濾除超過奈奎斯特頻率的信號，這導致信號產生混疊。對于模擬濾波器，不存在采樣環節，就不存在離散信號還原連續信號的環節，自然不存在混疊現象，這是模擬濾波器的優點之一。2.不占用計算資源，實現簡單。模擬濾波器通常只需要電阻、電感、電容、運放等少量元器件即可搭建完成，實現起來比較簡單，而且它不需要控制芯片參與，節約計算資源。3.降低對ADC的要求。顯然，如果采用數字濾波，像低通濾波，那么高頻的信號同樣需要被ADC采樣到，這樣才能數字濾波，但是如果在ADC前端先采用模擬濾波，則進入ADC的信號頻率就會降低，ADC的采樣速率和帶寬都可以降低，這樣就可以使用更廉價的ADC。 對比著看，數字濾波的優點其實對應模擬濾波的缺點，模擬濾波的優點又對應數字濾波的缺點。通常，我們模擬數字兩種濾波都會用，共同實現需要的濾波效果。
模擬濾波器按濾波電路過程是否需要電源參與可分為無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器由無源器件構成，通常是電阻、電感、電容。有源濾波器由電阻、電容和運放構成，一般不包含電感。所以，也可以說電路中包含運放的是有源濾波器，不包含運放的是無源濾波器。1.輸出阻抗低。驅動后級電路能力強。因為，有源濾波器的輸出是濾波器的輸出端，所以輸出阻抗低。2.可以加增益。運放的常用功能，結合濾波電路部分，可實現在濾波的同時放大濾波后的信號。3.不需要電感。電感的誤差通常較大，且低頻電感的體積也較大，而有源濾波器不需要電感，所以更適合用在頻率較低的信號濾波場合。1.可以對電源進行濾波。有源濾波器僅能處理信號，它無法傳遞輸入電源的能量，所以電源濾波器都是無源濾波器。2.結構簡單且廉價。無源濾波器結構相對有源濾波器來說更簡單。3.對高頻信號（10MHz以上）的處理能力強。有源濾波器要求運放的帶寬是截止頻率的100倍左右，當要處理的信號頻率到達10MHz或者更高時，就需要GHz的運放，這種運放在市場上通常難以找到且價格很高，所以有源濾波器難以處理10MHz以上的高頻信號。無源濾波器處理高頻信號則很輕松，因為當頻率很高時，只需要uH甚至nH等級的小電感，所以無源高頻濾波器可以做得小巧好用且成本低。 對比著看，有源濾波的優點其實對應無源濾波的缺點，無源濾波的優點又對應有源濾波的缺點。 需要說明的是，現在有一種有源電力濾波器（APF：Active power filter），它利用注入反向諧波的方法來抑制諧波，調整功率因數。電源電流并不流過此濾波器，它本質上是一種消波控制方法。它并不在我們討論的有源濾波器范疇中。
低通濾波器，Low Pass Filter，縮寫LPF。它的特性是允許頻率低于某一頻率的信號通過，衰減高于此頻率的信號。它的幅頻特性曲線如下圖所示。最簡單的低通濾波器就是RC低通濾波器，其電路圖與伯德圖如下圖所示。 可見，低頻濾波器的截止頻率fc對應以dB為單位的幅頻特性曲線上-3dB的點對應的頻率，-3dB = 20lg(0.5)即對應幅值衰減為原來的1/2。當信號頻率 < 截止頻率時，信號幾乎無損通過；當信號頻率 > 截止頻率時，信號開始衰減，且越遠離截止頻率衰減越大。當然，這里的電阻電容是理想的，當考慮寄生參數時，此濾波器的頻率特性就會改變，對高頻的濾波效果會變差，但此博文海翎光電的小編不討論這一點。
高通濾波器，How Pass Filter，縮寫HPF。它的特性是允許頻率高于某一頻率的信號通過，衰減低于此頻率的信號。它的幅頻特性曲線如下圖所示。最簡單的高通濾波器就是RC高通濾波器，其電路圖與伯德圖如下圖所示。 其實，此高通濾波器就是將上述低通濾波器的RC調換位置，兩個濾波器的截止頻率相同，計算公式均為fc = 1/(2πRC)。當信號頻率 > 截止頻率時，信號幾乎無損通過；當信號頻率 < 截止頻率時，信號開始衰減，且越遠離截止頻率衰減越大。 帶通濾波器，Band Pass Filter，縮寫BPF。它的特性是允許某一頻段的信號通過。它的幅頻特性曲線如下圖所示。 最簡單的帶通濾波器就是RC低通濾波器與RC高通濾波器的串聯組合，其電路圖與伯德圖如下圖所示。 帶通濾波器有兩個截止頻率，分別是低頻截止頻率fc1與高頻截止頻率fc2，帶通濾波器僅允許fc1 ~ fc2這個頻率段的信號通過。 帶阻濾波器，Band Stop Filter，縮寫BSF，又稱陷波器（Notch Filter）。它的特性是不允許某一頻段的信號通過。它的幅頻特性曲線如下圖所示。 最簡單的帶通濾波器就是RC低通濾波器與RC高通濾波器的并聯組合，通過跟隨器隔離阻抗，再通過同向加法器得到帶阻濾波器，其電路圖與伯德圖如下圖所示。 帶阻濾波器有兩個截止頻率，分別是低頻截止頻率fc1與高頻截止頻率fc2，帶阻濾波器僅不允許fc1 ~ fc2這個頻率段的信號通過。 注意，上圖約1MHz以后的波形也衰減了，這是因為所用的運放的帶寬被設置為10MHz，它無法處理太高頻率的信號。 全通濾波器，All Pass Filter，縮寫APF，也稱為延時均衡器（delay equalizer）或移相器（phase shifter)。全通濾波器并不改變輸入信號的頻率特性，但它會改變輸入信號的相位。它的幅頻特性與相頻特性曲線如下圖所示。 通過改變R1，C1的值或者調換R1，C1的位置即可改變此濾波器的相頻特性。與上述的帶阻濾波器相同，因為使用了運放，太高頻的信號會因為運放帶寬不夠而衰減。 濾波器基礎01——濾波器的種類與特性的LTspice仿真工程。 由于理想濾波器的特性難以實現，實際使用的濾波器都是按某種函數形式來設計的，因此稱其為函數型濾波器。函數型濾波器不是與低通或高通濾波器并列的某種新型濾波器，它只是換了一種分類依據，根據濾波器傳遞函數對應的函數特性來分類。所以，我們通常這樣描述一個濾波器，如：有源巴特沃斯低通濾波器，指的是有源的，擁有巴特沃斯函數特性的低通濾波器。 巴特沃斯濾波器，Butterworth filter，也被稱為瓦格納濾波器（Wagner filter）或最大平坦濾波器。這種濾波器最先由英國工程師斯蒂芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發表在英國《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的，因此得名。它的特點是通帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有紋波，而在阻帶則逐漸下降為零。 巴特沃斯濾波器是目前最有名也是使用最廣泛的濾波器，它設計簡單，性能沒有明顯缺點，因此能適應多種應用場合。如果你在選用哪種濾波器的時候拿不定主意，建議使用巴特沃斯濾波器，它通常是合適的。 切比雪夫濾波器，Chebyshev filter， 也稱為等起伏濾波器、等波紋濾波器 或 切比雪夫I型濾波器，這一稱呼來源于這種濾波器的通帶內衰減特性具有等波紋起伏這一顯著特點。由此濾波器的過渡區域比巴特沃斯要短，即衰減得更快，代價是通帶內有紋波。 切比雪夫濾波器的得名并不是因為此濾波器結構是切比雪夫發明的，而是因為切比雪夫推出了切比雪夫準則（Chebyshev criterion），利用此準則進行設計可使濾波器的最大通帶紋波最小化。 由于允許通帶內特性有起伏，因而其截止特性變陡峭了，但與之相伴的是其群延遲特性也變差了。因而，當切比雪夫型濾波器作為 A-D/D-A 變換器的前置或后置濾波器，或者作為數字信號的濾波器來使用時，就不能光考慮其截止特性是否滿足使用要求，而是還要考慮它是否滿足實際輸入信號所允許波形失真范圍的要求。 還有一種切比雪夫濾波器，它與一般的切比雪夫濾波器不同，它的通帶內沒有紋波，但阻帶內有紋波或者說是陷波點，所以，我們稱它為逆切比雪夫濾波器，有時也稱為切比雪夫II型濾波器 或是 巴特沃斯-切比雪夫濾波器，而一般的通帶有紋波的則稱為切比雪夫I型濾波器。 橢圓濾波器，Elliptic filter，又稱考爾濾波器（Cauer filter），是在通帶和阻帶等波紋的一種濾波器。橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在階數相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動，它在通帶和阻帶的波動相同。由于通帶內特性和阻帶內特性都允許有起伏，因而橢圓函數型濾波器具有最好的截止特性，即衰減得最快。 橢圓濾波器對元件值的要求特別嚴格， 不經過調整是很難實現所要設計的濾波特性的。一般情況下，橢圓函數濾波器的制作，都要一邊看測定器，一邊調整電容器和電感線圈的值。 貝塞爾濾波器，Bessel filter， 也稱為湯姆遜濾波器（Thomson filter）。這種濾波器的特點是它的通帶內群延遲特性最為平坦。由于群延遲特性平坦，因而這種濾波器能夠無失真地傳送 諸如方波、三角波等頻譜很寬的信號。 高斯濾波器，Gaussian filter， 高斯濾波器的特性與前一章所講過的貝塞爾濾波器非常相似。二者的主要差別在于：貝塞爾濾波器的延時特性曲線在通帶內特別平坦，并且是在進入阻帶區以后才開始迅速趨近于零值的；而高斯型濾波器的延時特性曲線則是在通帶內就開始緩慢變化，并且趨近于零值的速度較慢。 在最初設計或者不知道使用哪種函數型合適的情況下，可以選取巴特沃思濾波器。這種濾波器的衰減特性和相位特性都相當好，對構成濾波器的器件的要求也不甚嚴格，易于得到符合設計值的特性。 如果只對衰減特性有要求，可以選取切比雪夫濾波器。不過切比雪夫濾波器的相位特性不好，要注意它會使非正弦波信號波形失真的問題。 巴特沃思濾波器的特點是通帶內比較平坦；切比雪夫濾波器的特點是通帶內有等波紋起伏；逆切比雪夫濾波器的特點是阻帶內有等波紋的起伏；橢圓函數濾波器的特點則是通帶內和阻帶內都有等波紋起伏。如果濾波特性中有起伏，濾波器的衰減特性截止區就比較陡峭。 貝塞爾濾波器的衰減特性很差，它的阻帶衰減非常緩慢。但是，這種濾波器的相位特性好，因而對于要求輸出信號波形不能失真（即不能有相位失真）的場合非常有用。
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