淺談濾波器的技術(shù)與應(yīng)用

曾令昊

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)各行各業(yè)有了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電器行業(yè)也不例外，其高速發(fā)展離不開濾波器的應(yīng)用。因此，本文簡(jiǎn)要地介紹了濾波器的概念、分類、主要參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上論述了濾波器在當(dāng)前的應(yīng)用情況以及未來應(yīng)用前景，旨在為濾波器在電器中的深度應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】濾波器 技術(shù) 應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】TN713 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）33-0239-02

一、引言

隨著電器的迅速發(fā)展與普及，人們對(duì)信號(hào)精度的要求不斷提高，同時(shí)各電器產(chǎn)生的電磁和噪聲干擾也逐漸加強(qiáng)，這就在一定程度上促進(jìn)了過濾信號(hào)的裝置——濾波器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前，濾波器分類方式較多且應(yīng)用較為廣泛，研究濾波器的發(fā)展前景對(duì)于濾波器的深入應(yīng)用和未來的發(fā)展等具有重要的指導(dǎo)作用。

二、濾波器的簡(jiǎn)介

1.濾波器的概念

濾波器就是一種可以讓指定頻率通過、阻擋其他干擾信號(hào)頻率的選頻設(shè)備，比如可以讓聲波通過。目前濾波器的種類比較多，但用途以及原理不盡相同，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，特使是在通信領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)了通信領(lǐng)域的快速發(fā)展。

2.濾波器的分類

當(dāng)前，濾波器的常見的分類方式有兩種：第一，按頻段分類，分為低通、高通、帶通以及帶阻。其中，允許低于制定頻率的信號(hào)通過的為低通，允許在兩個(gè)制定頻率間的信號(hào)通過的為帶通。而高通、帶阻的定義分別與低通、帶通的定義相反。第二，按電源分類，可分為有源和無源。此外，利用原理、數(shù)學(xué)函數(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域及方向等參數(shù)進(jìn)行分類也比較常見。

3.濾波器的主要參數(shù)

嚴(yán)格來說，理論上的濾波器是不存在，而在實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化濾波器的過程中主要考慮到其衰減速度以及衰減量等因素，而其設(shè)計(jì)與優(yōu)化所涉及到的參數(shù)有如下幾種：

紋波幅度d：濾波器在運(yùn)行的過程中，其幅頻特性在一定的范圍氖表現(xiàn)為波紋變化的特性，與平均值A(chǔ)0相比，其波動(dòng)的幅度d越小則越好，通常都小于-3dB。

截止頻率fc：截止頻率就是指濾波器在實(shí)際運(yùn)行中幅頻特性值達(dá)到0.707A0時(shí)的波動(dòng)頻率。以A0值作對(duì)比，0.707A0對(duì)應(yīng)點(diǎn)為-3dB，也就是與A0相比，其衰減了3dB。假如以信號(hào)的幅度值的平方作為信號(hào)功率，那么0.707A0點(diǎn)則恰好是相對(duì)于A0點(diǎn)的半功率點(diǎn)。

帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值：濾波器的寬帶，又叫作-3dB寬帶，是高頻段的上截止頻率與低頻段的下截止頻率之間的一個(gè)頻率范圍，單位為赫茲（HZ）。濾波器中的品質(zhì)因數(shù)為中心頻率f0與寬帶B之間的比值。假設(shè)濾波器的中心頻率f0為1000HZ，-3dB寬帶為50HZ，那么品質(zhì)因數(shù)Q為20，因此，品質(zhì)因數(shù)Q值越大，濾波器的分辨頻率的能力就越高。

倍頻程選擇性W：實(shí)際濾波器中的兩個(gè)截止頻率的外延有一個(gè)過渡帶，其幅頻曲線傾斜度越大，衰減就越快，反之則越慢，是決定濾波器衰減帶寬外頻率能力的重要因素，一般以倍頻程選擇性來表示。倍頻程選擇性就是高頻段的截止頻率與其2倍頻率之間的頻率衰減值，或是低頻段截止頻率與其1/2頻率之間的頻率衰減值。也就是頻率波動(dòng)一個(gè)倍頻程時(shí)所產(chǎn)生的幅頻特性衰減值，又叫作倍頻程衰減量，單位為dB/oct，oct為octave的縮寫，意為倍頻程。因此，衰減值越大，其倍頻程選擇性就表現(xiàn)得越好。同樣也可以用10倍倍頻程衰減數(shù)來表示衰減率，單位為dB/10oct。

濾波器因數(shù)：濾波器因數(shù)又叫作矩形系數(shù)，也是用于表示濾波器選擇性的因素，其表達(dá)式為幅頻特性-60dB的寬帶值除以-3dB的寬帶值。當(dāng)這個(gè)比值接近1時(shí)，其選擇性就會(huì)越好，通常理論上的濾波器的濾波器因數(shù)值為1，而實(shí)際的濾波器的因數(shù)值一般在1到5之間。

三、濾波器應(yīng)用現(xiàn)狀

濾波器具有極其廣泛的應(yīng)用行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景，本文將從以下幾個(gè)行業(yè)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述：

1.通信行業(yè)

近年來，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，中心機(jī)房運(yùn)行負(fù)荷也在不斷增加，配套的UPS在容量上也在不斷增加。同時(shí)，其產(chǎn)生的諧波量也在增加，嚴(yán)重影響了通信、配電等系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而應(yīng)用了有源濾波器后，通信以及電力設(shè)備的壽命得到了提升，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也更滿足諧波環(huán)境的要求。

2.半導(dǎo)體行業(yè)

半導(dǎo)體企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的過程中會(huì)使用很多單相整流設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生3次諧波，這些諧波的中線壓力比較大，對(duì)于安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，容易發(fā)生火災(zāi)。此外，3次諧波還會(huì)讓電路斷路，造成生產(chǎn)停止?？傊?次諧波對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)及其電氣設(shè)備都造成了嚴(yán)重的破壞，而濾波器可以有效地衰減3次諧波，避免上述破壞現(xiàn)象的發(fā)生，目前濾波器在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用非常普遍。

3.石化行業(yè)

石化行業(yè)在生產(chǎn)的過程中通常要配備大量的泵類，這些泵類一般都配套了相應(yīng)的變頻器，這些變頻器主要是通過6脈沖將交流電變?yōu)橹绷麟姡洚a(chǎn)生的諧波大多為5、7和11次，縮短了電力設(shè)備的壽命，影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)用有源濾波器則可以解決上述問題。

4.其他行業(yè)

在化纖生產(chǎn)領(lǐng)域，企業(yè)往往為了增加融化率，提升融化質(zhì)量并最大化地減少爐子的損耗，降低能源損耗，都會(huì)使用到電助熔設(shè)備，這些設(shè)備在運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生很多諧波，這些諧波對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定以及電氣設(shè)備與電路老化都有較高的影響。

在鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域，中頻爐、電弧爐等大型輔助設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，嚴(yán)重干擾電網(wǎng)的運(yùn)行，導(dǎo)致變壓器以及其他電氣設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重等。

在汽車制造領(lǐng)域，焊機(jī)是必不可少的工具，而焊機(jī)在使用的過程中，由于速度快、沖擊性高以及隨機(jī)性大等特點(diǎn)，給電能的質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，往往會(huì)導(dǎo)致最后的焊接效果不好，導(dǎo)致汽車制造領(lǐng)域的智能化機(jī)器人無法正常工作。

而在醫(yī)院行業(yè)，供電的可靠性以及穩(wěn)定性都有著非常高的標(biāo)準(zhǔn)，比如0類場(chǎng)所要求的自動(dòng)恢復(fù)供電的時(shí)間在15秒以內(nèi)，1類的則要求在0.5秒和15秒之間，2類的則要求在0.5秒以內(nèi)，電壓的總諧波發(fā)生畸變的概率不能超過3%。然而醫(yī)院行業(yè)里所使用的一些大型設(shè)備比如CT機(jī)、X光機(jī)以及核磁共振等都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。

除了上述行業(yè)，其他行業(yè)也存在類似問題，筆者在此就不一一贅述，但從上述來看，我們不難發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)行業(yè)使用的大型輔助設(shè)備在運(yùn)行的過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的干擾諧波，這些諧波對(duì)電路的老化、穩(wěn)定以及電氣設(shè)備的壽命等等都有嚴(yán)重的影響，應(yīng)用有源的濾波器已經(jīng)成為解決這類問題的關(guān)鍵所在。

四、濾波器應(yīng)用的前景展望

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于濾波器的要求也越來越高，濾波器的應(yīng)用也將越來越廣闊。首先，濾波器將朝著集成化、微型化、多樣化以及低成本化的方向發(fā)展。其次，濾波器的設(shè)計(jì)將應(yīng)用更多的先進(jìn)技術(shù)，其在抗干擾以及穩(wěn)定性方面得到進(jìn)一步強(qiáng)化。最后，濾波器與多個(gè)儀器的適應(yīng)度將大大提高，與每個(gè)電器都能夠很好的匹配，這樣就便于人們更好的安裝與使用。當(dāng)然，5G時(shí)代即將來臨，濾波器的應(yīng)用前景還可能被重構(gòu)，其應(yīng)用和發(fā)展空間將得到進(jìn)一步提升。

五、結(jié)語

總之，盡管濾波器的發(fā)展已經(jīng)超過一百年，有關(guān)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也非常普及，但筆者認(rèn)為，濾波器在未來還有無限可能，特別是伴隨著5G、人工智能時(shí)代的到來，濾波器還潛在著巨大的發(fā)展空間和研究?jī)r(jià)值。對(duì)濾波器研制和創(chuàng)新應(yīng)用的投入，仍需高度重視和不斷加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘洪進(jìn).零功率濾波器的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[J].電氣工程應(yīng)用，2018（3）：32-36.

[2]張宏生.新型濾波器在智能電能表中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表2018（9）：106-110.

[3]盧亞普.數(shù)字濾波器在測(cè)井采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2018（8）.