淺談濾波器的技術與應用

曾令昊

【摘要】隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國各行各業(yè)有了一個突飛猛進的發(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用。因此，本文簡要地介紹了濾波器的概念、分類、主要參數，并在此基礎上論述了濾波器在當前的應用情況以及未來應用前景，旨在為濾波器在電器中的深度應用提供一定的參考依據。

【關鍵詞】濾波器 技術 應用

【中圖分類號】TN713 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）33-0239-02

一、引言

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

二、濾波器的簡介

1.濾波器的概念

濾波器就是一種可以讓指定頻率通過、阻擋其他干擾信號頻率的選頻設備，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，廣泛應用于多個領域，特使是在通信領域的應用推動了通信領域的快速發(fā)展。

2.濾波器的分類

當前，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通過的為低通，允許在兩個制定頻率間的信號通過的為帶通。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、數學函數以及應用領域及方向等參數進行分類也比較常見。

3.濾波器的主要參數

嚴格來說，理論上的濾波器是不存在，而在實際設計和優(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，而其設計與優(yōu)化所涉及到的參數有如下幾種：

紋波幅度d：濾波器在運行的過程中，其幅頻特性在一定的范圍氖表現為波紋變化的特性，與平均值A0相比，其波動的幅度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際運行中幅頻特性值達到0.707A0時的波動頻率。以A0值作對比，0.707A0對應點為-3dB，也就是與A0相比，其衰減了3dB。假如以信號的幅度值的平方作為信號功率，那么0.707A0點則恰好是相對于A0點的半功率點。

帶寬B和品質因數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頻率范圍，單位為赫茲（HZ）。濾波器中的品質因數為中心頻率f0與寬帶B之間的比值。假設濾波器的中心頻率f0為1000HZ，-3dB寬帶為50HZ，那么品質因數Q為20，因此，品質因數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：實際濾波器中的兩個截止頻率的外延有一個過渡帶，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。也就是頻率波動一個倍頻程時所產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得越好。同樣也可以用10倍倍頻程衰減數來表示衰減率，單位為dB/10oct。

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

三、濾波器應用現狀

濾波器具有極其廣泛的應用行業(yè)和應用場景，本文將從以下幾個行業(yè)進行簡要概述：

1.通信行業(yè)

近年來，隨著通信技術的不斷發(fā)展，中心機房運行負荷也在不斷增加，配套的UPS在容量上也在不斷增加。同時，其產生的諧波量也在增加，嚴重影響了通信、配電等系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而應用了有源濾波器后，通信以及電力設備的壽命得到了提升，其設計標準也更滿足諧波環(huán)境的要求。

2.半導體行業(yè)

半導體企業(yè)在生產經營的過程中會使用很多單相整流設備，這些設備會產生3次諧波，這些諧波的中線壓力比較大，對于安全生產造成了嚴重的影響，容易發(fā)生火災。此外，3次諧波還會讓電路斷路，造成生產停止。總之，3次諧波對整個配電系統(tǒng)及其電氣設備都造成了嚴重的破壞，而濾波器可以有效地衰減3次諧波，避免上述破壞現象的發(fā)生，目前濾波器在半導體行業(yè)的應用非常普遍。

3.石化行業(yè)

石化行業(yè)在生產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生的諧波大多為5、7和11次，縮短了電力設備的壽命，影響計量的準確性，應用有源濾波器則可以解決上述問題。

4.其他行業(yè)

在化纖生產領域，企業(yè)往往為了增加融化率，提升融化質量并最大化地減少爐子的損耗，降低能源損耗，都會使用到電助熔設備，這些設備在運行的過程中會產生很多諧波，這些諧波對生產穩(wěn)定以及電氣設備與電路老化都有較高的影響。

在鋼鐵生產領域，中頻爐、電弧爐等大型輔助設備在運行過程中會產生大量的諧波，嚴重干擾電網的運行，導致變壓器以及其他電氣設備發(fā)熱嚴重等。

在汽車制造領域，焊機是必不可少的工具，而焊機在使用的過程中，由于速度快、沖擊性高以及隨機性大等特點，給電能的質量造成嚴重的影響，往往會導致最后的焊接效果不好，導致汽車制造領域的智能化機器人無法正常工作。

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準，比如0類場所要求的自動恢復供電的時間在15秒以內，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，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備比如CT機、X光機以及核磁共振等都會產生大量的諧波。

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，目前大多數行業(yè)使用的大型輔助設備在運行的過程中都會產生大量的干擾諧波，這些諧波對電路的老化、穩(wěn)定以及電氣設備的壽命等等都有嚴重的影響，應用有源的濾波器已經成為解決這類問題的關鍵所在。

四、濾波器應用的前景展望

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對于濾波器的要求也越來越高，濾波器的應用也將越來越廣闊。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，濾波器的設計將應用更多的先進技術，其在抗干擾以及穩(wěn)定性方面得到進一步強化。最后，濾波器與多個儀器的適應度將大大提高，與每個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。當然，5G時代即將來臨，濾波器的應用前景還可能被重構，其應用和發(fā)展空間將得到進一步提升。

五、結語

總之，盡管濾波器的發(fā)展已經超過一百年，有關的技術已經相當成熟，其在多個行業(yè)領域內的應用也非常普及，但筆者認為，濾波器在未來還有無限可能，特別是伴隨著5G、人工智能時代的到來，濾波器還潛在著巨大的發(fā)展空間和研究價值。對濾波器研制和創(chuàng)新應用的投入，仍需高度重視和不斷加強。

參考文獻：

[1]潘洪進.零功率濾波器的設計與工程應用[J].電氣工程應用，2018（3）：32-36.

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

[3]盧亞普.數字濾波器在測井采集系統(tǒng)中的應用[J].電子測量技術，2018（8）.