电子信号抗干扰之滤波技术

信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变,甚至是在相当多的情况下,这种畸变还很严重,以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了,所以滤波是信号处理中的一项基本而重要的技术。

滤波
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施。是根据观察某一随机过程的结果,对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。

滤波一词起源于通信理论,它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。“接收信号”相当于被观测的随机过程,“有用信号”相当于被估计的随机过程。 

这类问题在电子技术、航天科学、控制工程及其他科学技术部门中都是大量存在的。历史上最早考虑的是维纳滤波,后来R.E.卡尔曼和R.S.布西于20世纪60年代提出了卡尔曼滤波。现对一般的非线性滤波问题的研究相当活跃。

卡尔曼滤波

滤波技术的分类
信号分两类:连续的模拟信号和离散的数字信号。

所以,按所处理的信号来分类,滤波技术便分为两类:模拟滤波技术和数字滤波技术。

数字滤波技术的核心是算法,但也并不是完全脱离硬件的。比如数字信号处理器(DSP)就是常见的数字滤波设备,除了滤波,DSP还会对数字信号进行变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的加工处理。

1、模拟滤波技术

一般都是通过硬件电路实现的。 举个例子,比如——车身蓄电池提供的12V直流电源,它其实并不纯洁。除了纯净的12V恒压电源外,还掺杂着一些交流杂波。所以我们需要用电容、电感、电阻来组成硬件滤波电路,以频率为标识符来滤除这些杂波。硬件滤波的基本原理就是电容、电感的容抗和感抗与频率有关。

模拟滤波技术(硬件滤波技术)分为两类:无源滤波和有源滤波。

无源滤波电路仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成。

有源滤波电路不仅由无源元件,还由有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)组成。有源电路除了输入信号外,还必须要有外加电源才可以正常工作, 有源元件也叫主动元件,要依靠电流方向才能体现其价值。有源滤波自身就是谐波源,会产生谐波干扰。

总的来说,平时我们用的比较多的还是无源滤波电路。

2、数字滤波技术

这里就只说软件滤波了,不说DSP。

常见的数字滤波算法大概有十几种,可以根据其作用来进行简单分类:

克服大脉冲干扰的滤波算法有:1、限幅滤波法;2、中位值滤波法;3、基于拉依达准则的奇异数据滤波法;4、基于中值数绝对偏差的决策滤波器。

克服小幅度高频噪声的滤波算法有:1、算术平均;2、滑动滤波;3、加权滑动平均。这三种算法都具有低通特性,所谓的低通是通低频(滤高频),故叫做低通。

正常的软件滤波逻辑是,先剔除大的异常干扰,再过滤高频低幅噪声。一般高频干扰是由电子元器件热噪声、AD量化噪声引起的。

此外,还有一些高贵冷艳的滤波算法,比如维纳滤波,卡尔曼滤波等。

实际上,数字滤波技术可以分为两类:即经典滤波和现代滤波。

经典滤波技术的基础是傅里叶变换,它建立在信号和噪声频率分离的基础上,通过将噪声所在频率区域幅值衰减来达到提高信噪比,于是针对不同的频率段就产生了低通,高通,带通等滤波器之分。

现代滤波器则不是建立在频率领域,而是通过随机过程的数学手段,通过对噪声和信号的统计特性(如自相关函数,互相关函数,自功率谱,互功率谱等)做一定的假定,然后通过合适的数学方式,来提供信噪比。譬如KALMAN滤波器中,总会假定状态噪声和测量噪声是不相关的。 在weiner滤波器中还必须假定信号是平稳的,等等。所以现代滤波技术没有带通、低通、高通之分。

说白了,现代滤波技术就是用数学(特别是统计学)的方法,对于采集的数据进行分析,利用数学原理滤除差异较大的数据,保持数据的灵敏度和稳定性。所以之前的那十几种滤波技术以及卡尔曼滤波、维纳滤波等,都可以归类于现代滤波技术。

总的来说,一般有这种联系:

频率—硬件—经典滤波;  

统计—算法—现代滤波。

经典滤波技术出现后,人们发现有些噪声和信号的频谱相互混叠,用经典滤波器得不到满意的滤波效果。这时候基于统计学的现代滤波技术才诞生了。总之两类滤波技术各有所用,具体问题具体分析。

滤波器
滤波器,顾名思义对于电路中传播的电磁骚扰,采用滤波技术加以抑制。 

滤波器的特性 

滤波器的技术指标包括插入损耗、频率特性、阻抗特性、额定电压、额定电流、外形尺寸、工作环境、可靠性等。

1.插入损耗(Insertion Losses)

插入损耗


插入损耗值越大对骚扰信号的抑制作用越强。

2.频率特性

滤波器的插入损耗随频率的变化即为频率特性。

频率特性可用中心频率、截止频率、最低使用频率和最高使用频率等参数描述。

3. 阻抗特性

滤波器的输入阻抗、输出阻抗直接影响其插入损耗特性。

在使用EMI滤波器时,应保证在输入、输出最大限度失配的情况下,有合乎要求的最佳抑制效果。

4. 额定电压

滤波器工作时允许的最高电压。

5. 额定电流

滤波器工作时,不降低插入损耗性能的最大使用电流。

滤波器的种类

1、反射式滤波器

反射式滤波器又称无损滤波器,其工作原理是在电磁信号传输路径上形成很大的特性阻抗不连续,使大部分电磁能量反射回信号源处。

反射式滤波器采用电感L、电容C储能元件组成的无源网络。

有很好的频率选择特性,但容易产生谐振。

根据频率特性分为低通、高通、带通、带阻滤波器,低通滤波器是电磁兼容中最常用的滤波器。

低通滤波器的基本电路形式

低通滤波器的基本电路形式

在低通滤波器中:电容的作用是通过并联一个低阻抗的通路,使骚扰电流分流,从而减小负载中的骚扰电流;电感的作用是通过串联一个高阻抗,阻断骚扰信号的流通,从而减小负载上的骚扰电压。

当滤波器的频率特性不能满足要求时,可以采取多个滤波器级联的方法。

2、吸收式滤波器

吸收式滤波器又称有损滤波器,它采用有损耗的滤波元件,使骚扰信号的能量消耗在滤波器中,以达到抑制干扰的目的。

吸收式滤波可避免反射式滤波因寄生参数效应或阻抗不匹配引起的谐振,但其频率选择性较差。

吸收式滤波器采用铁氧体材料或其他有损耗材料,将导线穿过或缠绕在各种形状的铁氧体材料上,利用其电感及磁场涡流损耗阻断骚扰信号的传播。

2.1  铁氧体磁心
用铁氧体材料制成环状磁心,与从中穿过的导线构成有损电感,可起到滤除高频电磁骚扰的作用。

铁氧体磁芯的阻抗由感抗和等效损耗电阻两部分组成。低频时主要取决于感抗,高频时铁耗成为阻抗的主要成分。

铁氧体磁心具有很好的高频骚扰抑制能力,被制成各种形状及大小,广泛应用于各种电子产品。

2.2  抗干扰电缆

抗干扰电缆是将铁氧体材料填充在同轴电缆的内、外导体之间构成的有损同轴电缆,它具有很好的高频衰减特性,可以起到较好的滤波效果。

抗干扰电缆

3、电磁干扰滤波器

用于抑制电磁骚扰在电路中传播的滤波器统称为电磁干扰滤波器(EMI滤波器),也有的称为射频干扰滤波器(RFI滤波器)。

EMI滤波器通常是由串联电感和并联电容组成的低通滤波器。

EMI滤波器不但要抑制经两根导线流通的骚扰信号(差模干扰),而且还要抑制经任一根导线与地回路流通的骚扰信号(共模干扰)。

共模差模干扰

EMI滤波器的基本电路结构

EMI滤波器的基本电路结构

4、电源线滤波器

抑制设备的传导发射或提高对电网中骚扰的抗扰度除了要考虑源阻抗和负载阻抗的匹配外,电源线滤波器的串联电感和并联电容选值受到一定限制。

串联电感L值不能取得太大,否则会产生较大的电源压降,影响正常供电;接地的并联电容值也不能取得太大,否则对地漏电流增加,可能会超出限值而影响人身安全或引起漏电保护。

为满足上述要求,可使用共模扼流圈。

电源线滤波器

5、 滤波连接器

90% 的电磁兼容问题是由于电缆造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线。

电缆之所以会辐射电磁波,是因为电缆端口处有共模电压存在,电缆在这个共模电压的驱动下,如同一根单极天线。

滤波连接器的优点

(1)  滤波连接器能够将电缆中的干扰电流滤除,从而彻底消除电缆的辐射因素。

(2)  滤波连接器抑制电缆辐射比屏蔽电缆更稳地。

(3)  使用滤波连接器后,可以降低对电缆端接的要求,避免使用价格昂贵的高质量屏蔽电缆,从而降低成本。

元件非理想特性对滤波的影响
电缆线对高频骚扰具有天线作用,通常是在电缆线端口处并联电容滤波。

有时滤波效果并不好,源于滤波电路及元件并非是理想情况,存在各种寄生参数,影响了滤波效果。 

1、元件的非理想特性

元件的非理想特性

电容值或电感值越大,则谐振频率越低,也就是电容的高频滤波效果越差。

电容和电感的引线尽量短,应小于波长的1/100。

为改善电容器实际特性的影响,常将一个高频性能好的小电容与一个大电容并联使用。

图9:电容并联

2.互感的影响

并联电容滤波时,高频滤波效果比设想的差,是因为并联电容两侧的回路之间存在互感。

图10:并联电容滤波

为减小互感,可缩短电容引线长度、改变电路走线、采用四引线电容、采用表面安装电容等。

3.电容回路的电感

印制电路板上的电源平面和地平面之间、集成电路旁边经常接滤波电容器,以抑制器件驱动时产生的电压脉动,电容器的电荷释放受到电感的限制。

电感除了电容器的寄生电感外,还包括回路电感。

图11:电容回路的电感

为减小回路电感,滤波电容应尽量靠近集成电路,或使用电源平面和地平面间距较小的电路板。

4.穿心电容和馈通滤波器

对于电缆线的滤波,如果与屏蔽体相配合,可采用穿心电容和馈通滤波器。

穿心电容和馈通滤波器

穿心电容通常安装在设备的导电外壳上,电容壳外与接地的设备壳360°连接,电容两侧回路的互感几乎为零,滤波效果大大提高。

馈通滤波器是以穿心电容为基础,结合电感构成的滤波电路。

传感器检测中的滤波技术
滤波器是抑制交流串模干扰的有效手段之一。传感器检测电路中常见的滤波电路有Rc滤波器、交流电源滤波器和真流电源滤波器。 

RC滤波器

当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时,利用小体积、低成本的无源Rc滤波器将会对串模干扰有较好的抑制效果。但应该一提的是,Rc滤波器是以牺牲系统响应速度为代价来减少串模干扰的。

交流电源滤波器

电源网络吸收了各种高、低频噪声,对此常用Lc滤波器来抑制混入电源的噪声。

直流电源滤波器

直流电源往往为几个电路所共用,为了避免通过电源内阻造成几个电路问相互干扰,应该在每个电路的直流电源上加上Rc或Lc退耦滤波器,用来滤除低频噪声。

滤波技术的应用领域广泛, 例如,在军事上被大量应用于导航、制导、电子对抗、战场侦察;在电力系统中被应用于能源分布规划和自动检测;在环境保护中被应用于对空气污染和噪声干扰的自动监测等等,在电子工程技术中无处不在。

文章来源 :传感器技术

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