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抗混叠滤波器

2019-07-13 15:43发布

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定义

抗混叠滤波器 anti-alias filter是一个低通滤波器，用以在输出电平中把混叠频率分量降低到微不足道的程度。 动态信号测试分析系统中为什么要使用抗混滤波器呢?大家都知道"奈奎斯特采样定律"， 在对模拟信号进行离散化时，采样频率f2至少应2倍于被分析的信号的最高频率f1,即: f2≥2 f1;否则可能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠到低频段，出现虚假频率成分的现象，称之为:混叠。

基本原理

工程测量中采样频率不可能无限高也不需要无限高，因为一般只关心一定频率范围内的信号成份。为解决频率混叠，在对模拟信号进行离散化采集前，采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成份。 实际仪器设计中，这个低通滤波器的截止频率(fc) 为:截止频率(fc)=采样频率(fs) / 2.56 在进行动态信号测试中测量仪器必须具有抗混滤波功能，例如:在大型桥梁、高楼、机械设备等动态振动测试及模态分析中，信号所包含的频率成份理论上是无穷的。例如:桥梁的模态理论上有无限多个，但我们只关心对振动贡献最大的前几阶模态。如果不对振动的模拟信号进行低通抗混滤波，高阶模态频率很可能会混叠到低频段，形成虚假的模态频率，给模态参数识别带来困难。

性能指标

抗混滤波器一般指低通滤波器，但滤波器有低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器、高阻滤波器。滤波器的主要性能指标以低通滤波器为例，理想的低通滤波器为矩形，但实际中是不可能实现的。衡量低通滤波器性能的指标主要包括以下几方面: 带内波纹度:通带的幅值精度指标，例如:带内波纹度为±0.1dB时，对幅值精度的影响约为±1%(这正是为什么一般的数采器幅值精度可以做到千分之几，一般的数采器用很高的采样频率进行采集，不加低通滤波器)。 阻带下降斜率:滤波器在截至频率开始下降，下降斜率越大越好。一般采用每个倍频程的下降分贝数衡量，例如:满足工程测量需要的阻带下降斜率约为-80dB/oct。 滤波器落差:带通到带阻差值的分贝数dB。值得一提的是:随着DSP信号处理芯片的出现，现代测试仪器中已采用模拟滤波加数字滤波，使滤波器性能指标突飞猛进。例如:带内波纹度可达±0.05dB,阻带下降斜率可达到约-200dB/oct，大大好于纯模拟滤波器。

概述

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是:让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。 滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号 利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。 滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为 XL·XC=K2 故L型滤波器又称为K常数滤波器。倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率(即对频率范围选择性强)，而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系，均由m常数决定，此常数介于0~1之间。当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。最合于实用的m值为0.6。至于那一频率需被截止，可调节共振臂以决定之。m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。

巴特沃斯响应(最平坦响应)

巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。 贝塞尔响应 除了会改变依赖于频率的输入信号的幅度外，滤波器还会为其引入了一个延迟。延迟使得基于频率的相移产生非正弦信号失真。就像巴特沃斯响应利用通带最大化了幅度的平坦度一样，贝塞尔响应最小化了通带的相位非线性。 切贝雪夫响应 在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。

安装注意

板上滤波器虽然对高频的滤波效果不理想，但是如果应用得当，可以满足大部分民用产品电磁兼容的要求。在使用时要注意以下事项:

干净地

如果决定使用板上滤波器，在布线时就要注意在电缆端口处留出一块"干净地"，滤波器和连接器都安装在"干净地"上。通过前面的讨论，可知信号地线上的干扰是十分严重的。如果直接将电缆的滤波电容连接到这种地线上，会造成严重的共模辐射问题。为了取得较好的滤波效果，必须准备一块干净地。并与信号地只能在一点连接起来，这个流通点称为"桥"，所有信号线都从桥上通过，以减小信号环路面积。

并排设置

同一组电缆内的所有导线的未滤波部分在-起，已滤波部分在一起。否则，一根导线的耒滤波部分会将另一根导线的已滤波部分重新污染9使电缆整体滤波失效。

靠近电缆端口

波器与面板之间的导线的距离应尽量短。必要时，使用金属板遮挡一下，隔离近场干扰。

与机箱的搭接

安装滤波器的干诤地要与金属机箱可靠地搭接起来，如果机箱不是金属的，就在线路板下方设置一块较大的金属板来作为滤波地。干净地与金属机箱之间的搭接要保证很低的射频阻抗。如有必要，可以使用电磁密封衬垫搭接，增加搭接面积，减小射频阻抗。

接地线要短

考虑到引脚的电感效应，其重要性前面已讨沦，滤波器的局部布线和设计线路板与机箱(金属板)的连接结构时要特别注意。

分组

在端口滤波的电缆和不滤波的电缆应尽量远离，防止发生上述的耦合问题。

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