要想真正理解滤波器,真的不容易

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依稀记得前师傅讲过,控制对象相对于控制器来说就是个滤波器;半夜睡不着则在考虑PID控制是不是把反馈的不同频率特性的信号通过其滤波特性,再决定其输出信号,如果这样PID控制器也是滤波器;看到美国人写的书上意思是说维纳滤波器同样也是控制器.....那我每天都用的模拟滤波器可否认为是对频率给定信号来说也是一种控制器,这么多想法迫使我在写完"固本"之后更想发表自己对"清源"--模拟滤波设计的土地爷想法。
 
在谈滤波器设计的时候我们在目前所知的范围内需了解两个问题:
 
其一是这模拟滤波其本质特征到底是什么;
 
其二是我要设计的系统是数字滤波还是模拟滤波。
 
对数字滤波还是模拟滤波其本质区别理解这里用我匪的观点给自己定义的是模拟滤波对于干扰信号相当于御敌于国门之外,而数字滤波相当于先开门把狼放近来之后再关门打狼。二者在战略上是一致的,都是把干扰信号干掉;战术上区别则很大,以至于很多时候因为这个问题把搞数字滤波的和搞模拟滤波设计的对立起来,结果每一方面都说自己的好,尤其是今天单片机的运算速度快了,DSP的价格降了,FPGA越来越普及了,使得更多的数字系统工程师再理解滤波器设计的时候更多倾向于用数字滤波器,而且更多人宁愿都理想的认为使用数字滤波器最大的好处就是可以通过软件无限制地对其进行调整,直到其特性满足设计要求,这听起来很让人振奋,然而事实并非如此。
 
仅以低通滤波器为例,模拟低通滤波器是在信号到达A/D转换之前,滤除其中的高频噪声以及峰值噪声,而数字滤波往往无法滤除模拟信号中的峰值噪声。当峰值噪声接近A/D满量程时,可能使A/D转换器的模拟调制器进入到饱和态,此时即使输入信号的平均值在量程范围内也照样会出现这种饱和。某些类型的A/D的对这种峰值噪声更是有“请神容易送神难”的感受,进入饱和后A/D的整体退饱和很难,有时甚至需要断电解决问题。
 
当然我们决不能就此直接说数字滤波不好,直接来个否定,数字滤波毕竟利用其平均技术和过采样等技术使得其可以减少频带内噪声,数字滤波可以成功滤除A/D转换过程中的引入的噪音,例如量化噪音,而模拟滤波则无法完成此类任务。数字滤波的可编程设计相对于模拟滤波设计有更大的灵活性。
 
今天用数字滤波实现的各种形式的滤波器,包括Butterworth,Bessel,Chebyshev,椭圆,FIR,IIR,到FFT类型的数字滤波器,其灵活的应用在某些性能上已非模拟滤波器所及。当然芯片技术发展同时也催生了二者在优势上的互补,新的开关电容滤波器的出现似乎预示二者也在吸取对方好的一面,目前MAXIM,LINER,TI等公司都有自己独到的开关电容滤波器产品,而且性能也不错,CYPRESS公司则独创整合开关电容模块和模拟模块,数字模块以及单片机内核,自己可以根据需求灵活配置其PSOC实现各种滤波器,更是代表一种设计方向。
 
我这里所重点谈及的滤波器更多的是在自动检测,自动控制和电子仪器中广泛应用的M级以下模拟滤波器,数字滤波器的繁荣并不妨碍我对模拟滤波器应用的情有独钟,开关电容滤波器的出现并不能在广义上完全取代已经用了几十年而且至今还没完全搞懂的模拟滤波器设计,否则我们也没有必要去再学模拟滤波器设计。御敌于国门之外必有其道,盗亦有道,只是每个人的道不同而已,这并不妨碍我对我自己设计的理解,反倒更容易理解别人之道自己更快“炼丹”。
 
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