浅谈滤波器的技术与应用

曾令昊

【摘要】随着科学技术的不断发展，我国各行各业有了一个突飞猛进的发展，电器行业也不例外，其高速发展离不开滤波器的应用。因此，本文简要地介绍了滤波器的概念、分类、主要参数，并在此基础上论述了滤波器在当前的应用情况以及未来应用前景，旨在为滤波器在电器中的深度应用提供一定的参考依据。

【关键词】滤波器 技术 应用

【中图分类号】TN713 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）33-0239-02

一、引言

随着电器的迅速发展与普及，人们对信号精度的要求不断提高，同时各电器产生的电磁和噪声干扰也逐渐加强，这就在一定程度上促进了过滤信号的装置——滤波器的发展和广泛应用。目前，滤波器分类方式较多且应用较为广泛，研究滤波器的发展前景对于滤波器的深入应用和未来的发展等具有重要的指导作用。

二、滤波器的简介

1.滤波器的概念

滤波器就是一种可以让指定频率通过、阻挡其他干扰信号频率的选频设备，比如可以让声波通过。目前滤波器的种类比较多，但用途以及原理不尽相同，广泛应用于多个领域，特使是在通信领域的应用推动了通信领域的快速发展。

2.滤波器的分類

当前，滤波器的常见的分类方式有两种：第一，按频段分类，分为低通、高通、带通以及带阻。其中，允许低于制定频率的信号通过的为低通，允许在两个制定频率间的信号通过的为带通。而高通、带阻的定义分别与低通、带通的定义相反。第二，按电源分类，可分为有源和无源。此外，利用原理、数学函数以及应用领域及方向等参数进行分类也比较常见。

3.滤波器的主要参数

严格来说，理论上的滤波器是不存在，而在实际设计和优化滤波器的过程中主要考虑到其衰减速度以及衰减量等因素，而其设计与优化所涉及到的参数有如下几种：

纹波幅度d：滤波器在运行的过程中，其幅频特性在一定的范围氖表现为波纹变化的特性，与平均值A0相比，其波动的幅度d越小则越好，通常都小于-3dB。

截止频率fc：截止频率就是指滤波器在实际运行中幅频特性值达到0.707A0时的波动频率。以A0值作对比，0.707A0对应点为-3dB，也就是与A0相比，其衰减了3dB。假如以信号的幅度值的平方作为信号功率，那么0.707A0点则恰好是相对于A0点的半功率点。

带宽B和品质因数Q值：滤波器的宽带，又叫作-3dB宽带，是高频段的上截止频率与低频段的下截止频率之间的一个频率范围，单位为赫兹（HZ）。滤波器中的品质因数为中心频率f0与宽带B之间的比值。假设滤波器的中心频率f0为1000HZ，-3dB宽带为50HZ，那么品质因数Q为20，因此，品质因数Q值越大，滤波器的分辨频率的能力就越高。

倍频程选择性W：实际滤波器中的两个截止频率的外延有一个过渡带，其幅频曲线倾斜度越大，衰减就越快，反之则越慢，是决定滤波器衰减带宽外频率能力的重要因素，一般以倍频程选择性来表示。倍频程选择性就是高频段的截止频率与其2倍频率之间的频率衰减值，或是低频段截止频率与其1/2频率之间的频率衰减值。也就是频率波动一个倍频程时所产生的幅频特性衰减值，又叫作倍频程衰减量，单位为dB/oct，oct为octave的缩写，意为倍频程。因此，衰减值越大，其倍频程选择性就表现得越好。同样也可以用10倍倍频程衰减数来表示衰减率，单位为dB/10oct。

滤波器因数：滤波器因数又叫作矩形系数，也是用于表示滤波器选择性的因素，其表达式为幅频特性-60dB的宽带值除以-3dB的宽带值。当这个比值接近1时，其选择性就会越好，通常理论上的滤波器的滤波器因数值为1，而实际的滤波器的因数值一般在1到5之间。

三、滤波器应用现状

滤波器具有极其广泛的应用行业和应用场景，本文将从以下几个行业进行简要概述：

1.通信行业

近年来，随着通信技术的不断发展，中心机房运行负荷也在不断增加，配套的UPS在容量上也在不断增加。同时，其产生的谐波量也在增加，严重影响了通信、配电等系统运行的稳定性，而应用了有源滤波器后，通信以及电力设备的寿命得到了提升，其设计标准也更满足谐波环境的要求。

2.半导体行业

半导体企业在生产经营的过程中会使用很多单相整流设备，这些设备会产生3次谐波，这些谐波的中线压力比较大，对于安全生产造成了严重的影响，容易发生火灾。此外，3次谐波还会让电路断路，造成生产停止。总之，3次谐波对整个配电系统及其电气设备都造成了严重的破坏，而滤波器可以有效地衰减3次谐波，避免上述破坏现象的发生，目前滤波器在半导体行业的应用非常普遍。

3.石化行业

石化行业在生产的过程中通常要配备大量的泵类，这些泵类一般都配套了相应的变频器，这些变频器主要是通过6脉冲将交流电变为直流电，其产生的谐波大多为5、7和11次，缩短了电力设备的寿命，影响计量的准确性，应用有源滤波器则可以解决上述问题。

4.其他行业

在化纤生产领域，企业往往为了增加融化率，提升融化质量并最大化地减少炉子的损耗，降低能源损耗，都会使用到电助熔设备，这些设备在运行的过程中会产生很多谐波，这些谐波对生产稳定以及电气设备与电路老化都有较高的影响。

在钢铁生产领域，中频炉、电弧炉等大型辅助设备在运行过程中会产生大量的谐波，严重干扰电网的运行，导致变压器以及其他电气设备发热严重等。

在汽车制造领域，焊机是必不可少的工具，而焊机在使用的过程中，由于速度快、冲击性高以及随机性大等特点，给电能的质量造成严重的影响，往往会导致最后的焊接效果不好，导致汽车制造领域的智能化机器人无法正常工作。

而在医院行业，供电的可靠性以及稳定性都有着非常高的标准，比如0类场所要求的自动恢复供电的时间在15秒以内，1类的则要求在0.5秒和15秒之间，2类的则要求在0.5秒以内，电压的总谐波发生畸变的概率不能超过3%。然而医院行业里所使用的一些大型设备比如CT机、X光机以及核磁共振等都会产生大量的谐波。

除了上述行业，其他行业也存在类似问题，笔者在此就不一一赘述，但从上述来看，我们不难发现，目前大多数行业使用的大型辅助设备在运行的过程中都会产生大量的干扰谐波，这些谐波对电路的老化、稳定以及电气设备的寿命等等都有严重的影响，应用有源的滤波器已经成为解决这类问题的关键所在。

四、滤波器应用的前景展望

随着科学技术的不断发展，人们对于滤波器的要求也越来越高，滤波器的应用也将越来越广阔。首先，滤波器将朝着集成化、微型化、多样化以及低成本化的方向发展。其次，滤波器的设计将应用更多的先进技术，其在抗干扰以及稳定性方面得到进一步强化。最后，滤波器与多个仪器的适应度将大大提高，与每个电器都能够很好的匹配，这样就便于人们更好的安装与使用。当然，5G时代即将来临，滤波器的应用前景还可能被重构，其应用和发展空间将得到进一步提升。

五、结语

总之，尽管滤波器的发展已经超过一百年，有关的技术已经相当成熟，其在多个行业领域内的应用也非常普及，但笔者认为，滤波器在未来还有无限可能，特别是伴随着5G、人工智能时代的到来，滤波器还潜在着巨大的发展空间和研究价值。对滤波器研制和创新应用的投入，仍需高度重视和不断加强。

参考文献：

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