硬件基础——滤波

2023-11-09

一、滤波概念

        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。

        滤波器分类:

1.当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做高通滤波器;

2.当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做低通滤波器;

3.设低频段的截止频率为fp1,高频段的截止频率为fp2:

①频率在fp1与fp2之间的信号能通过其他频率的信号被衰减的滤波器叫做带通滤波器;

②反之,频率在fp1到fp2的范围之间的被衰落,之外能通过的滤波器叫做带阻滤波器。

二、电容C

1.技术理论

        电容的本质是充电与放电,具有储能的作用。由于充放电需要时间,电容两端电压不能突变,因此可以起到滤波的效果,将纹波信号平滑成直流信号。

2.疑问解答

① 为什么大电容滤波低,小电容滤波高?

        实际应用中,电容不是理想的,存在寄生电阻与电感。通过交流信号时,电容与R、L会产生谐振,超过谐振频率,电容将表现为电感特性。根据公式:

f = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}

        电容越大,谐振频率越小,电容越小,谐振频率越大,因此大电容滤低频,小电容滤高频。

② PCB设计时,大电容还是小电容靠近IC?

        主要看IC的工作频率,如果是单片机等数字IC,(数字电路存在许多晶体管,而晶体管的开关频率非常高,)开关频率高(则需要更加快速给它给予能量,更需要小电容给它滤波,大电容的作用就不是很大),小电容靠近(电容靠的越近,形成的环路越小,高频环路就越小;环路大的缺陷:1.产生EMC辐射,电容放得远远的,辐射就变大了;2.电容隔远了,供电时间长,电压有可能拉低,就可能产生更大的纹波),再大电容,以便高频供电环路小,滤波效果好,EMC效果好;如果是驱动类IC(比如电机驱动,数码管驱动),模拟类IC(比如一些模拟器件,不是数字器件,频率就很低),模组(比如wifi模块,GPI模块,里面已经存在小电容了)等,开关频率低,电容主要是提供瞬时大电流(例如2G模块,电源BUCK的IC,电机驱动),大电容靠近,再小电容(小电容没有也没关系,有也能滤一小部分高频信号)。这部分需要引起重视,会很大的影响PCBA的性能。

3.产品应用

① 小电容用于单片机的电源引脚

② 大电容用于驱动IC,小电容用于信号管脚

③ 电源IC滤波

三、RC滤波

1.技术理论

        RC滤波器属于低通滤波器,在单片机系统中,运放输入端、开关电源的SW处均有使用

        说明:由于电阻R消耗能量,RC滤波一般只用于信号滤波,不能用于电源滤波。

2.产品应用

① 用于运放输入端,输入更稳定

        最上面的电路是基准的2.5V,最左下角是输出PWM信号,通过NMOS管后变成方波,即可控制占空比。之后经过RC1滤波,把方波变平滑,变成直流信号,输出0~2.5V(这是信号,并无什么电流)。RC2滤波使信号变得更稳定。之后经过运放,放大4倍,RC3后0~10V输出。RC4为射极跟随器,提高其驱动,最终即可输出0~10V。

② 用于开关电源的SW处,可以滤除干扰,降低EMC

        在RC滤波之前理论上可能有个理想的方波,但现实往往夹杂着过冲信号,可能出现一些高频的峰值信号,这些信号会产生EMC的干扰。经过图上圈出的RC滤波后能够将这些峰值信号滤掉,使波形更平滑。

        说明:

        1.电阻取值一般10Ω;

        2.电容取值一般几百pF内;(可参考公式 f = \frac{1}{RC} )

        3.示波器测试看滤波效果,降低干扰的同时,对电源效率也有些影响,所以最好源头解决,设计好电源电路。

四、LC滤波

1.技术理论

        LC滤波器属于低通滤波器,在单片机系统中,电源的BUCK,BOOST拓扑、电机类设备的电源部分等均有使用。

        说明:由于LC不消耗能量,LC滤波一般用于电源滤波,也可用于信号滤波。滤波功率:

f = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}

2.产品使用

① 用于BUCK拓扑,将PWM电压滤波成直流

        圈起来的LC滤波,就是把PWM信号转为直流信号。有个问题,这个地方为什么不直接用电容滤波呢?如果没有电感会怎么样?

        假设我们刚上电时,输入12V电源,经过芯片后SW脚也输出12V,无任何缓冲,直接给电容充电,电容也很大,瞬间电流也很大,很容易把U14芯片 给烧了。所以需要一个电感有缓冲作用,形成LC滤波。电感可以限制电流,让其 慢慢增大,也可以慢慢减少,因此电感有阻碍电流的作用。

② 用于电机电源,电机一般是低频干扰

        这里的LC滤波可以让此干扰信号减弱,以免影响到系统。电感也可以起到缓冲电流的作用。        

五、π型滤波器

1.技术理论

        π型滤波器包括两个电容器和一个电感或电阻,双向滤波。

2.产品应用

① 用于电源输入处

        上面电路曾经用过在摄像头的电路模块中,摄像头对干扰很敏感,特别是做传导的认证时,电源一般都会加LC滤波,滤除干扰信号。

② 用于电机电源,既可以降低电机对主电源的干扰,也可以降低主电源对电机的干扰。

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