system: [SYSTEM]

user: 4. EMC设计改进 [ 1 ] 4.1. 连接处理 采用双绞线传递信号，特别是差分信号，抵消信号之间和外界的EMI；尽可能选用带屏蔽层的双绞线，利用增大的导线间杂散电容，间接低通滤波，进一步衰减EMI；对长传输线串联电阻性磁珠以减小和抑制上冲及振铃现象，还可用高精度电阻排和MAX5426等集成运放构成可调增益和共模抑制比的仪表放大器，更进一步消除EMI。 在电子线路板电源与信号进口处串联磁珠抑制高频噪声干扰；对CAN、LIN、USB等总线接口、音视频接口、数据存储卡端口、高速端口等加装TVS/ESD防护器件，防止“过冲”误码；有意选择EMC能力强的接口器件，如高ESD性能的MAX3232E、带隔离的RSM485/CTM1050、带低噪放大的ATR0610无线接收前端等，以承受高冲击电压等严重EMI。 4.2. 接地处理 电子设备信号地线为直流电源一极，各种频率电流流过产生电压降在电源电压上叠加反馈到各个电路造成共地阻抗耦合相互干扰；并且地线与各电路构成的众多环路网孔也易遭受电磁感应而造成地网环路干扰，必须设法降低地线阻抗和减小地环路网孔面积。 有单点接地、多点接地和安全接地三种形式。单点接地有串联、并联和串并联多种机制，多应用在信号频率低于1 mHz或地线长度小于信号最高频率的λ/20的电子设备中，串联接地时应将单元间无信号联系的低电平电路单元靠近电源馈电，串并联时应将电平相近电路单元划为一组串联，再将各组电路并联。多点接地常用在信号频率高于10 mHz或地线长度大于信号最低频率的λ/20的电子设备中，为减小高频电流通过较长地线产生辐射干扰，电路单元都应以最短接入由金属网格或导体板构成的地线中。安全接地是为安全而接入大地的地线，电子电路的地线要连接其金属机壳，由其接入大地实现与大地的等电位，避免因偶然高压泄漏或积累静电荷使机壳电压升高而危及人身/器件安全，应埋设导体板或并联导体棒并在其周围的回填土中加木炭屑、食盐或尿醛等降阻剂，实现可靠大地安全连接。 “地”上的杂波噪音要最小，尽可能实现“静地”，否则再好的滤波电路都不会有效。同一电路板卡，区分模拟地、数字地和射频地，各地单点相连，最后汇入输入电源地，地线连接点使用零电阻尽可能靠近电源地线并具有足够大的功率。注重焊接、装配、测试、转运等过程中的防静电接地，通过佩戴“手腕接地带”、防静电鞋套/橡胶板工作面接地等措施，实现人员、工具、仪器、台椅等的可靠接地。 4.3. 电源处理 主要是电源噪声，由电源线引入和导出，频谱大致为10~30 mHz，高达150 mHz，有串模干扰和共模干扰两类，串模干扰是电源线间(线对线)的噪声，共模干扰是电源线对大地(线对地)的噪声。 在电源进入端做简单的RC或LC滤波，使用铝/钽电容做低频滤波；对IC器件电源供给使用瓷片电容做高频滤波。电源变换电路中广泛应用RC滤波，为改善效果，常改为π型RC滤波。表1给出了稳压电源中滤波电容容量和输出电流的关系，电容耐压值一般应取变压器次级交流电压的1.5倍。 在电源线入口处加装铁氧体抑制元件，以滤除高频干扰，器件的磁导率要低和截面积要大，以避免铁氧体磁饱和，降低插入损耗。对电源进线端使用PNF双向滤波器，即可滤掉交流电源线上的外来干扰，又能避免向外界发出噪声，并且对串、共模干扰均有抑制作用，还可以抑制ES。为使噪声滤波效果更佳，还可采用二级、三级PNF。普通PNF抑制ES能力较差，当电压浪涌上升不太陡且脉宽较大时易造成不匹配，甚至使共模扼流圈饱和，要在进线间及进线与地之间各并联压敏电阻(VSR)，还需在输入端并联1 mΩ释放电阻以消除PNF输入端电容上的积累电荷。 4.4. 滤波处理 滤波使有用频率信号通过而抑制或大为衰减无用频率信号，是信号处理、数据传送和抑制干扰的常用基本方法。滤波电子电路或者软件模块库，称为滤波器，前者是模拟滤波器，后者是数字滤波器。滤波器常见类型划分及其典型频谱特性如图3所示。简要确切说明滤波器，应该明确其阶数、有无源、带通性能、模拟数字等特征，如二阶LC无源模拟带通滤波器、四阶IIR数字滤波器。 4.4.1. 模拟滤波 (1) 无源滤波 a) 基本描述 无源滤波，以电阻R (Resistor)、电感L (Inductor)和电容C (Capacitor)等元件组成滤波电路，形式简单，易于实现，一般形式有单电容型(C型)、单电感型(L型)、Γ型、反Γ型、T型和π型，如图4所示。T型滤波适用于信号源内阻和负载电阻比较小(如低于50 Ω)的情况，π型滤波器适用于信号源内阻和负载电阻都比较高的情况，当信号源内阻和负载电阻不相等时，可选用L型或C型滤波电路，对于低信源阻抗和高负载阻抗，可选L型滤波器，反之，可选用C型滤波器。 实际应用中更多选用一阶RC或二阶LC构成的“低通”或者“高通”滤波电路，其基本电路形式如图5所示。截止频率的计算公式，一阶RC滤波是： 。二阶LC滤波是： 。 b) LC滤波运算[ 2 ] Table 1 Table about relation between capacitor content and output current in stabilized voltage suppl 输出电流 2~3 A 1~1.5 A 0.5~1 A 0.1~0.5 A 50~100 mA 50 mA 电容容量 4700 uF 2200 uF 1000 uF 500 uF 200~470 uF 200 uF 表1. 稳压电源中滤波电容器容量和输出电流的关系表 图3. 滤波器类型划分示意图 图4. 常见无源滤波电路形式框图 LC无源滤波，按电抗元件结构分，有T、L、π型，按电特性分有K型、M导出型。常数K型滤波串并联电抗积在限定频率范围内为常数 。M导出型由K型推演而来，需对K型滤波器元件参数乘以系数m(0 < m < 1)： ；低通滤波 ，高通滤波 ， 为衰减极限频率。M导出型滤波比K型滤波有较陡峭的截止特性。常用滤波器形式特征如表2所示。 c) 磁珠应用 [ 3 ] 导线穿过铁氧体构成磁珠，铁氧体对低频信号几乎没有阻抗，对高频信号却有较大的阻碍衰减，能把交流高频信号转化为热而散发。磁珠可以等效为串联的电感和电阻，电感和电阻的值都与磁珠长度成比例，电阻值和电感值都随频率变化。磁珠参数主要有三项：阻抗[Z](Ω)@100 MHz、直流电阻(mΩ)和额定电流(mA)，阻抗与频率关系曲线是重要技术指标。100 Ω/100 mHz是常用规格。常用磁珠有两类：HH标识开头的电源滤波磁珠和HB开头的信号线用磁珠。有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加元件阻抗(穿过磁珠次数的平方)，不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多，而用多串联几个磁珠的办法会好些。不需要为磁珠设置接地点，大电流磁珠滤波要注意散热。 图5. 基本RLC无源滤波电路框图 Table 2 Table about form and feature of usual LC passive filte K型滤波器 M导出型滤波器 低通滤波 电路形式 参数特征 ， ， ， ， ， ， ， 高通滤波 电路形式 参数特征 ， ， ， ， ， ， ， 表2. 常用LC无源滤波器形式特征表 磁珠与电感的区别：磁珠是能量转换(消耗)器件，电感是储能元件。电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，磁珠主要用于抑制辐射干扰，而电感侧重于抑制传导干扰。一些RF电路、PLL、振荡电路、超高频存储器电路(DDR SDRAM， RAMBUS等)都需在电源输入端加磁珠。电感多用在LC振荡电路、中低频滤波电路等，其应用频率范围很少超过50 MHZ。地/电源连接用电感，信号线用磁珠。 电路中使用磁珠，能增加高频损耗而又不引入直流损耗，且体积小、易安装在区间引线或导线上，对于1MHz以上噪声信号抑制效果十分明显，可用作高频电路的去耦、滤波以及寄生振荡的抑制，特别易于消除电路内部由开关器件电流突变和滤波电源线或其它导线引入的高频噪声。低阻抗供电回路、谐振电路、丙类功率放大器及可控硅开关电路，使用磁珠滤波十分有效。单个磁珠阻抗一般为十至几百欧，一个衰减量不够时可用多个磁珠串联，但三个以上效果就不明显了。电子线路板电源进口加磁珠，可有效印衰减数字IC电路周期开关产生的高频电流在电源和地之间产生的共模压降造成的共模高频干扰，实现“抑源”，优于使用退耦电容(可短路高频噪声但常引起高频谐振造成新的干扰)。信号线接口上使用磁珠，可有效抑制高频噪声，使如1 mHz左右的数据信号顺利得以识别。 d) 铁氧体应用 灰黑色亚铁磁性材料铁氧体器件，广泛应用在电子线路板、电源线和数据线上，抑制高频干扰(特别是尖峰干扰)，也可吸收ESD脉冲干扰，其重要性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs，可等效为L、R组成的串联电路。低频时R小，μ高，L大，EMI被反射而抑制，整个器件相当于一个低损耗、高品质q的电感，但易谐振有时可能引起干扰增强。高频时R成分多，L小，μ低，总阻抗增加，高频信号通过铁氧体时EMI被吸收并以热耗散。不同铁氧体有不同的最佳抑制频率范围。磁导率越高，抑制频率越低。体积越大，抑制效果越好。体积一定时长而细的形状比短而粗的效果好，内径越小抑制效果也越好。但有直流或交流偏流时有饱和问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，承受的偏流越大。 磁环、磁管、磁扣和磁珠是常见的铁氧体抑制器件。开关电源中用于抑制电源高频开关噪声的高磁导率与可饱和性的超小型特殊磁珠，已经成为了固定模块---尖峰抑制器。铁氧体器件把高频成分转为热耗是“吸收滤波”，不同于常规无源滤波将阻带频率反射回信号源。抑制差模干扰时，通过的电流值正比于体积，两者失调造成饱和，会降低元件性能；抑制共模干扰时，将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环，差模有效信号没有任何影响，而共模信号则会表现出较大的电感量。磁环使用中让穿过导线反复绕几下，可增加电感量。存在较大直流偏流时，将电源出线(交流火线、直流中线)与回线(交流中线、直流地线)同时穿入一个磁管，可避免饱和，抑制共模噪声。 铁氧体抑制元件有多种材料和各种形状、尺寸，应根据EMI信号的频率和强度、要求抑制的效果即插入损耗值及允许占用的空间包括内径、外径和长度等尺寸，综合选择。尽量选用磁导率低的材料和长、厚和内径尽量小的铁氧体元件。铁氧体元件应安装在尽可能接近干扰源的地方，安装在I/O电路、导线或电缆进出屏蔽壳的地方，它穿在电缆上后要用热缩管封好。 e) 电路选用 根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性要求，适当选择滤波器： ① 滤波器在相应工作频段范围内要满足负载要求的衰减特性，衰减量不能满足时可用多级联； ② 要满足负载电路工作/抑制频率的要求，若二者频率非常接近则需频率特性非常陡峭的滤波器； ③ 滤波器阻抗必须与连接的干扰源和负载阻抗匹配，负载高阻抗则滤波器输出低阻抗，电源/干扰源低阻抗则滤波器输出高阻抗，电源/干扰源阻抗未知或变化范围大需为滤波器输入/输出并接固定电阻； ④ 滤波器须有一定耐压能力，有足够高的额定电压，以经受输入瞬时高压冲击； ⑤ 滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流要一致； ⑥ 滤波器应具有足够的机械强度，结构简单、重量轻、体积小、安装方便，安全可靠。 滤波器的安装： ① 滤波器最好安装在干扰源出口处，将干扰源和滤波器完全屏蔽，壳体间搭接良好； ② 滤波器输入和输出线必须分开，用隔板或底盘来固定滤波器，若不能隔离则应采用屏蔽引线； ③ 滤波器中电容导线应尽量短，以防止感抗与容抗在某频率上形成谐振； ④ 滤波器接地线上有很大的短路电流，能辐射电磁干扰，要进行良好的屏蔽； ⑤ 焊接在同一插座上的每根导线必须进行滤波，否则会使滤波衰减特性完全失去； ⑥ 管状滤波器必须完全同轴安装，使电磁干扰电流成辐射状流过滤波器。 (2) 有源滤波 [ 5 ] a) 基本描述 有源滤波即RC有源滤波，以集成运放和电阻R、电容C构成，不用电感，体积小，重量轻，非线性和损耗小，还有一定的电压放大缓冲作用，但因带宽有限而工作频率难以很高，其滤波频率范围约为10 −3 Hz~10 6 Hz，频率稳定度在(10 −3 ~10 −5 )/摄氏度，频率精度为+(3~5)%，可用简单的级联来得到高阶滤波器。二阶有源滤波，典型，应用普遍，奇次阶滤波可以由一个单极点RC与若干个二阶级联构成，偶次阶滤波可以若干个二阶级联构成。电路一般由三部分组成：RC网络、放大器和反馈网络，RC网络完成滤波，如图6(a)所示。常用形式主要是压控电压源有源滤波和无限增益单/多路反馈有源滤波，典型电路如图6(b)和图6(c)所示，前者运放为同相接法，输入阻抗高，输出阻抗低，相当于电压源，电路性能稳定，增益容易调节；后者为运放反相接法，因开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻可形成两条反馈支路，元件较少，但增益调节不方便；表3是两种电路带通滤波的形式特征。 (b) 开发设计 主要是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件，一般考虑原则如下： ① 类型选择：一阶滤波，电路简单，但带外传输系数衰减慢，一般用在带外衰减性要求不高的场合；无限增益多环反馈型滤波器特性对参数变化比较敏感，不如压控电压源型滤波器；要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，比单纯用带通滤波器要好。 ② 级数选择：取决于带外衰减特殊性的要求，每一阶低通或高通电路可获得−6 dB/倍频程(−20 dB/十倍频程)的衰减，多级滤波器串接时传输函数总阶数等于各级阶数之和，要求的带外衰减特性为−mdB/倍频程(或−mdB/十倍频程)时应使级数n ≥ m/6(或n ≥ m/20)。 ③ 运放要求：一般选用开环增益在80 dB以上通用型运放，运放单位增益宽带应满足：B ≥(3-5)Ae Fh 图6. 常用有源滤波电路典型组成框图 Table 3 Table about form and feature of 2nd order active filte 压控电压源滤波 无限增益多路负反馈滤波 带通滤波器BPF 典型电路幅频曲线 电路性能参数 带通增益 中心角频率 带宽/品质因数 带通增益 中心角频率 带宽/品质因数 表3. 二阶有源滤波器形式特征表 [A为滤波通带传输系数，Fh为工作频率的上限]；若输入信号较小(10 mV以下)，则选低漂移运放；若滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件值超过100 kΩ，则应选低漂移高输入阻抗的运放。 ④ 器件选择：给定截止频率fc、带内增益Av及品质因数q (二阶低通或高通一般为0.707)设计滤波器，经常出现待定值元件数目多于限制元件取值参数数目，有许多个元件均可满足要求，一般从难配的电容选定入手，根据工作频率范围按照表4初选电容值。 模拟有源滤波常用参数运算法和快速查表法进行开发，前者依据电路特征参数公式，后者查找研究得来的相关表格，逐步确定各个元器件，下面举例说明。 1参数运算法 设计要求：有源二阶带通滤波器，中心频率f 0 = 500 Hz，通带增益A = 10，带宽Δf = 50 Hz。 设计步骤：采用无限增益多路负反馈二阶有源滤波，典型电路及其特征参数公式见表1，则： ， ， ， 根据表4工作频率与滤波电容的关系范围，取C = 0.02μF，由上述式子可依次解得： R 3 = 838 Ω，R 1 = 15.92 kΩ，R 2 = 318.5 kΩ。 2快速查表法 设计要求：二阶无限增益多路反馈1 dB切比雪夫型低通滤波器，增益A = 2，截止频率fc = 5KHz。 设计步骤：根据表4工作频率与滤波电容的关系范围，取C = 0.01 μF，电阻换标系数 ；查归一化设计用表5，A = 2，电容C 1 = C = 0.01 μF，K = 1时的电阻值： R 1 = 2.602 kΩ，R 2 = 5.204 kΩ，R 3 = 8.839 kΩ； 将上述电阻值乘以参数K = 2，得：R 1 = 5.204 kΩ，取标称值5.1 k + 104 Ω；R 2 = 10.408 kΩ，取标称 Table 4 Table about relation between filter frequency and capacit f (1~10) Hz (10~10 2 ) Hz (10 2 ~10 3 ) Hz (1~10) KHz (10~10 3 ) KHz (10 2 ~10 3 ) KHz C (20~10) F (10~0.1) uF (0.1~0.01) uF (10 4 ~10 3 ) pF (10 3 ~10 2 ) pF (10 2 ~10) pF 表4. 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系 Table 5 Table in designing about Chebyshev 2nd Order MF 归一化电路元件值(KΩ) 纹波高度 电路元件 增益 1 2 3 4 0.5 db R1 3.374 kΩ 2.530 kΩ 1.673 kΩ 1.608 kΩ R2 3.374 kΩ 5.060 kΩ 10.036 kΩ 16.083 kΩ R3 3.301 kΩ 3.301 kΩ 5.045 kΩ 4.722 kΩ C1 0.15 C 0.1 C 0.033 C 0.022 C 1 db R1 3.821 kΩ 2.602 kΩ 2.284 kΩ 2.213 kΩ R2 3.821 kΩ 5.204 kΩ 13.705 kΩ 22.128 kΩ R3 6.013 kΩ 8.839 kΩ 5.588 kΩ 5.191 kΩ C1 0.1 C 0.05 C 0.03 C 0.02 C 2 db R1 4.658 kΩ 3.999 kΩ 3.009 kΩ 3.113 kΩ R2 4.658 kΩ 7.997 kΩ 18.053 kΩ 31.133 kΩ R3 13.216 kΩ 7.697 kΩ 8.524 kΩ 6.591 kΩ C1 0.05 C 0.05 C 0.02 C 0.015 C 表5. 二阶无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器设计用表 值10 k + 408 Ω；R 3 = 17.698 kΩ，取标称值15 k + 2.7 kΩ或≈18 K。 借助于电子设计自动化EDA (Electronic Design automation)工具，如Cadence的pSpace、Aligent的ADS、Mathworks的Matlab-Simulink、NI的Multisim等，建立电路框图，设定元器件参数，加入信号激励，可取得并对比输入输出的波形曲线，评估并调整滤波器电路。图7给出了采用Multisim设计并模拟仿真二阶压控电压源带通滤波器的电路框图、幅频特性和交流分析(AC Analysis)频率特性图。 4.4.2. 数字滤波 [ 6 ] (a) 基本描述 数字滤波，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分，间接实现EMC，是模拟硬件电路滤波的有力补充，相对模拟滤波精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配，可避免模拟滤波无法克服的电压漂移和噪声问题。数字滤波形式主要有四种：简单滤波、无限冲击响应IIR (Finite Impulse Response)滤波、有限冲击响应FIR (Infinite Impulse Response)滤波和自适应滤波。简单滤波以简单算法处理适合微控制器简便编程控制的需要。IIR和FIR滤波是从滤波器网络结构或单位脉冲响应类型划分的。作用于线性时不变离散时间系统的数字滤波器的差分方程为： 其中，x(n)为输入序列，y(n)为输出序列，h(n)为单位脉冲响应序列，a k 和b k 为滤波器系数，N为滤波器 图7. 有源带通滤波电路的Multisim模拟仿真图 阶数，a k 决定系统的零点，b k 决定系统的极点；h(n)的Z变换为系统函数，即滤波器传递函数： 若a i = 0，则 ，系统函数是 的多项式，单位脉冲响应时间长度有限，即 阶FIR滤波器。若至少一个a i 的值不为零，且分母至少存在一个根不为分子所抵消，则有 ，说明该滤波器的单位冲激响应有无限多个，时间长度持续到无限长，即N阶IIR滤波器。FIR滤波只与输入有关，IIR滤波不但有关输入，还有关之前的输出。 IIR滤波较易实现通带与阻带衰减特性，滤波器阶次低，计算速度快，但相位线性不易实现。 FIR滤波器具有精确的线性相位和稳定性，除数多，运算时间长，需要FFT提高运算速度。 常用数字滤波一般属于选频滤波器。若滤波器传输函数表示为： 。式中，幅频特性 表示信号通过滤波器后各频率成分的衰减情况，相频特性 反映各频率通过滤波器后在时间上的延时情况。IIR滤波，相频特性不作要求。有线性相位要求的滤波一般用FIR。 (b) 简单滤波实现[ 4 ] 简单滤波，针对速度和存储资源有限的微控制器应用，实现快速简单的滤波算法： ① 限幅滤波：比较相邻采样值和Yn和 与经验确定的采样允许最大偏差值A，在每次检测到新值时判断：若Yn与 之差≤A，则本次值有效；否则本次值无效，用 值代替Yn。 ② 中值滤波：连续采样N次(N取奇数)把N次采样值按大小排列取中间值为本次有效值。 ③ 算术平均滤波： 。对一点数据多次采样，将其平均值作为该点的采样结果。有利于周期性干扰信号滤波，也可减少系统随机干扰影响。但是尖峰脉冲或持续时间较长的电源干扰，效果差。 ④ 滑动平均滤波：将本次采样与之前 次采样之和的平均值，作为本次滤波结果，如N = 3。 ⑤ 中位值平均滤波：即“中值滤波法” + “算术平均滤波法”，连续采样N个数据，去掉最大值和最小值再算出 个数据的算术平均值。N取值范围：3~14。能有效防止尖峰脉冲干扰，采样数据能平滑过渡。但对脉冲宽度较大的信号不理想，对于信号数据变化快的系统会产生幅值失真。 ⑥ 一阶递推滤波：即用算法来代替硬件RC低通滤波，递推公式为 ，Q为时间常数，Xn为第n次采样输入，Yn为第n次采样输出。适用于高频及低频干扰信号，对于变化较慢的系统能有效跟踪；不适用于中频干扰信号和变化快、实时性要求高的系统。 ⑦ 曲线拟合法：先将数据采集进来存在数组里，然后按照一定步长抽取数据作曲线拟合，能较精确反映采集数据变化趋势，去尖峰脉冲干扰，对持续时间长的干扰脉冲也有较好效果，但对单片机存储空间有要求，二次抛物线或更高次曲线拟合会影响单片机速度，不适合实时性要求较高的系统。 (c) IIR滤波实现 IIR滤波器有直接I型、直接II型、级联型、并联型等基本结构，各有相应设计步骤，典型设计法和直接设计法是常用方法。典型设计法借用成熟的模拟滤波器模型，将数字滤波技术指标转换为模拟低通滤波指标，然后将模拟低通滤波转换成模拟低通、高通、带通滤波器，再将模拟滤波转换成数字滤波器；这种方法相对成熟，不仅有完整的公式，也有完整查阅图表，更可调用Matlab函数快速设计。直接设计法，以计算机作辅助，用Matlab工具箱自带函数设计数字低通、高通、带通和带阻滤波器。 用Matlab进行典型数字滤波器设计的具体步骤如下： ① 按一定规则将给出的数字滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标； ② 根据转换技术指标用滤波器阶数选择函数，确定最小阶数N和固有频率Wn，可用函数有buttord、cheb1ord、cheb2ord、ellipord等； ③ 用最小阶数N产生模拟滤波器原型，可用创建函数有buttap、cheb1ap、cheb2ap等； ④ 用固有频率Wn把模拟低通滤波器原型转换成模拟低通、高通、带通、带阻滤波器，可用函数有lp2lp、lp2hp、lp2bp、lp2bs； ⑤ 用冲激响应不变法或双线性变换法把模拟滤波器转换成数字滤波器，分别用函数imoinvar和bilinear实现。 Matlab信号处理工具箱提供了几个直接设计IIR数字滤波器的函数，直接调用就可设计滤波器： ① Butterworth滤波器——函数butter()：可设计低通、高通、带通和带阻的数字和模拟滤波器，其特性是通带内的幅度响应最大限度的平滑，但损失了截止频率处的下降斜度。 ② Chebyshev I型滤波器——函数cheby1()：可设计低通、高通、带通和带阻的数字/模拟滤波器，通带内等波纹，阻带内单调，Chebyshev I型滤波器的下降斜度比II型大，代价是通带内波纹较大。 ③ Chebyshev II型滤波器——函数cheby2()：可以设计低通、高通、带通和带阻的数字/模拟滤波器，通带内单调，阻带内等波纹，Chebyshev II型滤波器的下降斜度比I型小，但其阻带内波纹较大。 ④ 椭圆滤波器用函数ellip()，与cheby1， cheby2类似，可以设计低通、高通、带通和带阻的数字/模拟滤波器。与Butterworth和chebyshev滤波器相比，ellip函数可得到下降斜度更大的滤波器，通带和阻带均为等波纹。椭圆滤波器能以最低的阶实现指定的性能指标。 Matlab提供yulewalk函数直接设计IIR滤波器，以最小二乘拟和逼近给定的频率特性，用法如下： [b， a] = yulewalk(n， f， m)，返回一个Yule-Walk滤波器的系数矩阵[b， a]，其中矩阵f和m是已知的频率响应和滤波器阶数，f必须在0~1，且升序，以0开始，以1结束，允许出现相同的频率值。 (d) FIR滤波实现 FIR滤波有直接型、级联型、快速卷积型、线性相位型、频率取样型等基本结构，基本方法有窗函数法、频率抽样法和等波纹逼近法等。常用的窗函数设计法描述如下：理想低通滤波器的传输函数 为 ，相应的单位取样响应h(n)为 ， 是一个以 为周期的函数，可展为傅氏级数，即 ；设计FIR滤波器就是根据要求找到有限个傅氏级数系数来代替并近似无限项傅氏级数，会产生截断效应和频率泄漏，需改变突然截断方式，改善泄漏；选择适当的窗函数，对所取样本函数进行不等权处理是一种有效措施。 Matlab中函数fir1和fir2就是基于窗函数方法的。firl函数实现了加窗线性相位FIR数字滤波，主要用于标准通带滤波器设计，包括低通、带通、高通和带阻数字滤波器： · b = fir1(n， Wn)可得到n阶低通FIR滤波器，这是一个截止频率为Wn的加汉明窗的线性相位FIR滤波器。如果Wn是一个包含两个元素的向量， ，firl返回一个n阶的带通滤波器，其通带为W1 < W < W2。 · b = fir1(n， Wn， ‘high’)设计一个高通滤波器。 · b = fir1(n， Wn， ‘stop’)设计一个带阻滤波器。如果Wn是一个多元素的向量， ，函数将返回一个n阶的多通带的滤波器。B = firl (n，Wn， ‘DC -1’ )，使第一频带为通带；b = fir1(n，Wn，‘DC -0’ )使第一频带为阻带。 对于在频率Fs/2附近为通带的滤波器如高通或带阻滤波器，n必须是偶数。缺省情况下firl()使用Hamming窗，可在参数window中指定其它窗，包括矩形窗、Harming窗、Bartlett窗等。 fir2()函数也设计加窗的FIR滤波器，但它针对任意形状的分段线性频率响应(在fir1中受限制)。B = fir2(n， F， M)设计n阶的FIR数字滤波器，频率响应由F和M指定，滤波器系数返回在向量B中，向量F和M指定滤波器采样点频率及幅值，F在0~1，1对应1/2采样频率。 4.5. 隔离处理 隔离是非常有效的EMC措施，常见形式有光电隔离、电容隔离、变压器隔离等，常用隔离器件有光电耦合器、隔离放大器、隔离DC-DC变换器等。数字输入/输出信号大多利用光电隔离器，也有一些输入用脉冲变压器隔离和运算放大器隔离。模拟量输入信号多用调制–解调式隔离放大器、运算放大器等，输出信号隔离多用直流电压隔离法及变换隔离法。 光电耦合器OC(Optical Coupler)亦称光电隔离器，简称光耦，一般由三部分组成：光发射、光接收及信号放大，收发端为发光管和光敏管。OC种类很多，主要有通用型(分无基极引线和基极引线两种)、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型(分单向晶闸管、双向晶闸管)、光敏场效应管型，还有双通道式(内部两套对管)、高增益型、交–直流输入型等。常用集成光电耦合器件，如NEC的无基极引线单晶体管输出的1/2/4路通用型光耦PS2801-1/4、PS2501(L)-1/2/4(高隔离电压能力)，ISOCOM的高隔离电压无基极引线单晶体管输出的1/2/4路通用型光耦TLP521(GB)-1/2/4，Vishey的有基极引线带光敏晶体管输出的通用型光耦4N25~28，Sharp的可控高速型光耦6N137，等。 隔离放大器用于防止数据采集器件免受远程传感器出现的潜在破坏性电压影响，并放大低电平信号，也可消除接地环路引起的测量误差。所用隔离技术主要有三种：变压器隔离、电容隔离和光电耦合器隔离，变压器隔离因体积庞大已让位于电容隔离和光耦隔离。应用隔离放大器，需为在输入/输出端使用相互隔离、不共地的隔离DC-DC转换电源。也有一些带有隔离DC-DC的隔离放大器。实际应用中常用的是ISO系列集成隔离放大器，有“有源(含隔离电源)型”和无源型两大类，四大产品体系：ISO 4~20 mA系列–两线无源4~20 mA信号隔离调理IC、ISO-Ax-Px-Ox系列–直流电流(I/V、I/I)隔离放大IC、ISO-Ux-Px-Ox系列–直流电压(V/I、V/V)隔离放大IC、ISO1001/1002系列–直流双向或交流隔离放大IC。 微型隔离式直流DC-DC转换器用于实现电路完全隔离，为光耦、隔离放大器配置隔离电源，在额定隔离电压为1000、1500或3000VDC下能提供稳定电压输出，转换效率高达85%，一些产品还有过热/短路保护以内部滤波功能。DC-DC可实现单一电源的正负压变换、正负压转换，可以串联或并联使用。C&D Technologies、德州仪器(TI)与Wall Industries等提供有微型隔离DC-DC，输出电流为20 mA至500 mA，输入电压为5 V、12 V、15 V或24 V，单输出电压3.3 V~24 VDC，双输出电压±3.3~±24 VDC。常用DC/DC，如5~−5 V的DCR010505、5~12 V的DCP050512B与DY05D12、5~±12的DCP011212D等。 4.6. 屏蔽处理 屏蔽是消除和抑制各种EMI、保证电子设备可靠工作的最有效方法，它利用导电率或导磁率较高的材料制成的盒、环、管、壳、网、槽、屏、板状等形状物体，接于容易产生电、磁场干扰的电子设备、电子线路中，隔断外来EMI并局限制自发的EMI。屏蔽效果以屏蔽物对场强衰减的倍数来评定，线性电路中屏蔽效果等于加屏蔽前后电路中的电压比，一般以分贝计。屏蔽有三种：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电源变压器的静电屏蔽层就是典型的电场屏蔽，电场屏蔽应做到多点、一体接地。磁场屏蔽所用材料一定要是高导磁率(远大于1)的铁、镍、钴，金属壳罩着的电源变压器能封闭漏磁通在屏蔽罩内，磁场屏蔽时屏蔽体是否接地对屏蔽效果没有影响，用铁磁性材料作为屏蔽体限于100 kHz以下。电磁场屏蔽是对高频电/磁场的同时屏蔽，屏蔽时对高频和低频电磁场的屏蔽体材料不同，高频电磁场屏蔽体选用导电率较高的金属铜、银，如电视机的中频、高频电路和各类放大器等所用屏蔽罩/板，屏蔽体需良好接地；低频电磁场屏蔽体一般是导磁率较高的顺磁性材料。电磁场屏蔽体是否接地与屏蔽效果关系不大，但为避免电路中因分布电容而引起寄生的耦合现象，电磁场屏蔽体一般总是接地的。 信号引线可采取双地线并行屏蔽的方法，让信号线夹在两条平行地线中间，相当于双回路，干扰信号会互相抵消，屏蔽效果非常显著。可用屏蔽导体将双绞线包裹起来，起到静电屏蔽作用。机器或敏感器件采用金属外壳是最好的屏蔽方法，非金属外壳也可以喷涂导电材料(如石墨)实现电磁干扰屏蔽。散热片也可以对电磁干扰进行局部屏蔽。