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各型滤波器工作原理介绍

电力电子 | 发布时间:2018-09-28 | 人气: | #评论# | 本文关键字:滤波器,工作原理,RC滤波器,LC滤波器,C型馈通滤波器,L型滤波器,Pi型滤波器,T型滤波器,数字低通滤波器
摘要:RC滤波器:滤波器顾名思义,就是让一部分频率(波)通过,而抑制或衰减不想要的频率。RC滤波器是比较简单的一种,因为其实现起来较简单,所以在实际中得到了很多的应用,但是在要求较高

RC滤波器:滤波器顾名思义,就是让一部分频率(波)通过,而抑制或衰减不想要的频率。RC滤波器是比较简单的一种,因为其实现起来较简单,所以在实际中得到了很多的应用,但是在要求较高的电路中其滤波效果和抗干扰能力并不理想,并且电阻本身在运行中也会产生噪声。所以精密滤波器都是采用LC滤波器的形势。
RC滤波器又可以分为有源滤波器和无源滤波器,这里的源我的理解就是电源。RC无源滤波器比较简单,有低通,高通,带通等形式。值得一提的是,单级的RC滤波器从通带到租带的过渡是缓慢的,若要求过渡快速,可以将二级或是多级RC滤波器串在一起组成RC无缘多级滤波器,但是每增减一级高通或是低通滤波器,电压的衰减量将增加6dB,即用衰减量换响应速度。
有源滤波器和无源滤波器相比,不同之处是,由于加了电源和放大器,其输出增益可以按要求随意调整,可以是正值也可以是负值。同时,有源滤波器电路还可以在满足要求的前提下对输出阻抗进行调节(因为放大器是个高输入阻抗低输出阻抗的元件)对于下级阻抗匹配和对信号的缓冲均有益处。

虽然有源滤波器电路在R,C网络中接入了运算放大器具备很多优点,但作为集成电路的运算放大器带宽有限,所以目前有源滤波器电路的工作频率仅能做到1MHz左右,这是他的不足之处。然而有一点必须肯定的是,无论是无源滤波器还是有源滤波器,电路中起核心作用的仍然是电容元件。

常用滤波器类型和功能

C型馈通滤波器
是一种避免高频对地的噪音干扰的低自感应装置,成本低廉,适合应用于高阻抗源和高负载的场合。

L型滤波器
这是款带有电感元件和电容元件的馈通滤波器,这种滤波器典型用于带有低阻抗源和高阻抗负载的电路中,反之亦然。注意:其电感元件应当面向低阻抗源

Pi型滤波器
Pi型滤波器是由两个电容元件和在两个电容元件之间的一个电感元件组成,对阻抗源和负载均表现为低阻抗。Pi型滤波器比C型,L型结构提供更好的高频滤波性能

T型滤波器
T型滤波器由两个电感元件和一个电容元件组成。其电路结构表现为从任何一端的输入均为高阻抗。它和Pi 型滤波结构相似,但没有Pi型滤波器应用广泛,可应用于开关转换领域.

多节式滤波器(双T型)
多节式滤波器是为带有低阻抗源和负载的电路中的适宜的插入损耗而设计的,它被推荐在任何需要高滤波效果中应用。


数字低通滤波器设计

微处理器实现数字低通滤波器
滤波常发生在模拟世界。不幸的是,在数字领域,工程师通常主要使用DSP(数字信号处理器),而不是8位单片机实现滤波。这个情形的发生,是因为滤波器设计的算法比大多数工程师乐于处理的算法更复杂。而且,数字滤波需要计算整形数,而不是浮点数。这引发了两个问题。第一,有限位的舍入误差降低了滤波器响应,甚至使它不稳定。第二,必须用整数算法处理小数值.

有几种方法解决这些问题。例如,可以使用16、32和64位数的操作,或可以缩放到更好的精度。这些和其他方法通常需要更多的存储器,造成编程经常不适于小型微处理器。文献研究所示用C语言编写的数字滤波固件,与用汇编语言编写需要更多的存储器。这个情形对存储器资源有限的小型微处理器来讲,常常是不可接受的。
变换算法的复杂设计方案放在一边,本方案使用了一种基于递归方程的解决办法。计算每个输出信号采样,作为输入信号和前一个输出信号带相关系数的总和。递归方程定义一个单极低通滤波器为:Y[n]=X[n]×a0+Y[n-1]×b1,在这里X[n]和Y[n]为采样[n]的输入输出值,Y[n1]为前一采样[n-1]的输出值,a0和b1为减少δ控制的权重系数。系数为0<δ<1的值,a0=1 δ且b1=δ。理论上,δ为输入信号从高电平降到低电平时,邻近的输出采样之间的衰减量。可以直接指定δ值或找到滤波器所需的时间常数d,其为采样数上升到低通滤波器稳态63.2%时的输出。D和δ之间存在确定的关系:δ=e1/d,在这里e为自然对数基底。前面的公式服从Y[n]=Y[n-1]+(1-δ)×(X[n] Y[n-1])。

为取代小数相乘,1δ对汇编程序而言,用除以倒数为整数的方法更方便,F=1/(1 δ): Y[n]=Y[n1]+(X[n] Y[n1])/F。因此,可以按照下面的步骤确定数字滤波器参数:

1、选择参数F。对汇编程序而言,便于用右移实现除法运算。右移就是F值应该为2S,在此S为偏移数。让F为8,相当于右移三位。

2、计算衰减:δ=1 1/F=1 1/8=0.875。

3、计算时间常数d=1/lnδ= 1/ln0.875=7.49采样。

公式Y[n]=Y[n 1]+(X[n] Y[n-1])/F决定滤波器的微处理器算法设计。算法需要三个寄存器:输入X[n]、输出Y[n]和一个递增寄存器保存(X[n] Y[n-1])/F的值。三个寄存器的大小取决于输入。应用中,内置的8位ADC输出范围从00到$FF的信号,必须经历低通滤波器。所以输入和输出寄存器均为1个字节。为增加除法精度,增加一半除数到被除数。这个处理将递增寄存器增加到2个字节。

用数字方法实现滤波功能提供了一致性的好处,因为器件误差、温度漂移和老化不会影响滤波器算法。用微处理器实现数字滤波器,增加了可调整滤波器参数的灵活性优势,因为这个灵活性仅取决于固件。

责任编辑:滤波器
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