数字滤波技术与电磁兼容

guitarboy1984 · 发表于 2007-11-17 21:10:35

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数字滤波技术与电磁兼容

Digital Filter Technology and
Electromagnetic Compatibility

研电0705班何洁  1072201167

摘要

本文在简单介绍了电磁兼容的定义，所涉及的研究范围及在现代社会中的严重影响，重点分析了电磁干扰抑制的三种方法中的滤波技术，介绍了数字滤波技术在电磁兼容中的应用。

关键词
电磁兼容,电磁干扰,数字滤波

Abstract

This paper introduces the pertinent definitions of Electromagnetic Compatibility, including its research domain and the awful influence. It puts emphasis on discussing the use of Digital filter technology for restraining electromagnetic interference.

Key Words
Electromagnetic Compatibility, Electromagnetic Interference, Digital Filter

目录

一、引言 1
二、电磁兼容基本概念 1
三、电磁兼容的研究和发展 1
1．发展历史 1
2．研究任务和领域 2
3．发展中的电磁兼容技术 3
4．发展方向和趋势 4
四、电磁干扰的抑制方法中的滤波技术 5
1．概述 5
2．滤波的相关概念 5
3．滤波器的主要参数 6
4．滤波器的分类 6
五、数字滤波技术在电磁兼容的应用 8
1．数字滤波技术概念 8
2．数字滤波器 8
3．常用数字滤波法 8
4．数字滤波的优点 10
5．应用举例 10
六、结束语 13
参考文献 14

一、引言
随着现代科学技术的发展，电气及电子设备的数量及种类不断的增加，运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号充满着整个人类生存的空间，使电磁环境日益复杂。在这种复杂的电磁环境中，人们面临一个新的问题，这就是如何提高现代电子、电气设备或系统在复杂的电磁环境中的生存能力，以保证达到电子系统初始的设计目的。另一方面，如何确保在整个或某个局部空间环境中，尽量减少以至消除电磁污染对人体健康及生态产生的不良影响。电磁兼容正是为解决这类问题而迅速发展起来的一门新兴学科。
二、电磁兼容基本概念
电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）简称（EMC)技术是以电磁场理论为依据，以试验为基础，以近代计算机和统计学为表征手段，涉及到众多技术领域的一门综合性系统工程。所谓电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境下能正常工作，并不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。具体而言，就是设备和系统在规定的电磁环境电平下不受电磁干扰而降低工作性能，它们本身产生的电磁发射亦不大于规定的极限电平，以免影响其它设备的正常工作，从而达到系统内的所有设备互不干扰、共同运行的目的。
按照上面的定义，电磁兼容性具体包含下面两个方面的含义：
（1）设备或系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力，并且有一定的安全余量。即它应不会因受到处于同一电磁环境中的其他设备或系统发射的电磁干扰而产生不允许的工作性能降低。
（2）设备或系统不产生超过规定限度的电磁干扰。即它不会产生使处于同一电磁环境中的其他设备或系统出现超过规定限度的工作性能降低的电磁干扰。
在具体的分析中，通常要把系统内的电磁兼容性和系统间的电磁兼容性区分开来。前者指的是在给定系统内部的各分系统、设备及部件之间的电磁兼容性；后者指的是给定系统与其他工作的电磁环境中的其他系统之间的电磁兼容性。
三、电磁兼容的研究和发展
1．发展历史
电磁兼容技术起源于人们对电磁干扰现象的认识和研究，并在控制、对抗电磁干扰的过程中逐步发展。自1881年英国著名科学家希维赛德发表《论干扰》的文章，首开了研究干扰问题的先河。1883年法拉第发现电磁感应定律，指出变化的磁场在导线中将产生感应电动势。1884年麦克斯韦引入位移电流的概念，指出变化的电场将激发变化的磁场，并由此预言电磁波的存在。这种电磁场的相互激发并在空间传播，正是电磁干扰存在的理论基础。1887年柏林电气协会成立了“全部干扰问题委员会”。1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在，同时该实验也指出了各种打火系统向空间发射电磁干扰，从此开始了对电磁干扰问题的实验研究。1933年有关国际组织在巴黎举行了一次特别会议，研究如何处理国际性无线电骚扰问题。1934年6月在巴黎举行了国际无线电干扰特别委员会（CISPR）第一次正式会议，从此开始了对电磁干扰及其控制技术的世界性的有组织的研究。就这样，人们对干扰问题的研究走过了理论研究、实验研究、研究工作过程化、产业化、电磁干扰控制研究和全世界范围有组织研究等阶段。
电磁兼容性概念的提出大约是在20世纪40年代。现在，电磁兼容学科已经能较深入的阐述电磁干扰产生的原因，分清干扰的性质，解释干扰传输及耦合的机理，较系统地提出抑制干扰的技术措施，并制定了电磁兼容的系列标准和规范，建立了电磁兼容试验和测量的体系，解决了电磁兼容设计、分析和预测的一系列理论和技术问题。近年来，人们对电磁兼容的关注和研究再度上升，在电磁兼容的理论研究、测试、基础建设等都有较大的进步。预计，电磁兼容今后将会有更大的发展，以此为推动，它将给整个产业带来更大的发展空间。
2．研究任务和领域
电磁兼容技术的根本任务是使处于同一电磁环境中的各种电气、电子设备或系统能够互不干扰正常工作，达到所谓的“兼容”状态。我们所说的电磁干扰效应过程指的是由电磁骚扰源发射的电磁能量，经过耦合途径传输到敏感设备的这个过程，那么电磁兼容技术的研究就需要紧密围绕形成电磁干扰的这三要素而进行，综合运用技术和组织两方面措施。所谓的技术措施，包括系统工程方法、电路技术方法、设计和工艺方法的总和，从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平，其目的是为了改善电子、电气设备的性能；为了对人为骚扰进行限制，并验证所采用的技术措施的有效性，还必须采取组织措施，制定和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁兼容管理等，其目的在于整顿电子、电气设备的工作。
为了使同一电磁环境中的各种电子设备或系统正常工作、维持正常的生态环境，即实现电磁兼容，人们必须深入研究以下几个问题：
（1）对于电磁骚扰源的研究，包括电磁骚扰源的频域和时域特性，产生的机理以及抑制措施的研究。
（2）对于电磁骚扰传播特性的研究，即研究电磁骚扰源如何由骚扰源传播到敏感设备，包括对传导骚扰和辐射骚扰的研究。传导骚扰是指沿着导体传输的电磁骚扰，辐射骚扰是指由器件、部件、连接线、电缆或天线，以及设备或系统辐射的电磁骚扰。
（3）对于敏感设备抗干扰能力的研究。这种干扰能力常以电磁敏感性或抗敏感度表征，电磁敏感性电平越小，抗扰度越低，抗干扰能力越差。
（4）对于测量设备、测量方法与数据处理方法的研究。由于电磁骚扰十分复杂，测量与评价需要有许多特殊要求，如何评价测量结果也是个重点问题，需要应用概率论、数理统计等数学工具。
（5）对于系统内、系统间电磁兼容性的研究。这方面的研究也需要广泛的理论以及丰富的实践经验。
3．发展中的电磁兼容技术
在现代电子技术发展过程中先后出现了三种实施电磁兼容性的方法，也即是EMC的设计方法：问题解决法、规范法和系统法。
（1）问题解决法
问题解决法是一种发现EMC问题后再采取措施的方法。先进行研制，然后根据研制成的设备和系统在联试中出现的电磁干扰问题，运用抑制干扰技术去逐个解决，这是一种冒险而且落后的方法。因为在系统已经装配好后再去解决电磁干扰问题是很困难的，为了解决问题，可能要进行大量的拆卸和修改，甚至需要重新设计，这样不但浪费人力和物力，延误系统研制周期，还会使系统性能下降。目前我国仍有多数制造厂家停留在这个阶段。
（2）规范法
规范法是按照国家已经颁布的电磁兼容性标准和规范为基础进行设备和系统的设计制造。通过建立必备的试验条件，进行测试验证。把电气、电子设备的相互干扰抑制在相应的标准限制范围内，这种方法简单易行，在一定程度上预防电磁干扰问题的出现，比用问题解决法更为合理，近年来正在被国内广泛的采用。但由于标准和规范没有很强的具体针对性，企图解决的问题只是为了适应规范而已，而且规范也是建立在电磁兼容实践经验基础上的，没有进行电磁干扰的分析和预测，往往会导致过量的预防储备增加系统成本。
（3）系统法
系统法是用计算机技术按预测程序针对某个特定系统的设计方案进行电磁兼容性预测和分析。它是从设备(部件)、分系统、系统的研制开始就和EMC要求结合起来的方法、通过电磁兼容设计将设计准则融合到设计过程中去。然后考核研制设备与原确定的电磁兼容性指标的符合性，实施电磁兼容性优化。将结果和系统测试相结合，反复优化以达到系统所要求的电磁兼容性目标。用这种方法进行系统设计和研制，基本上可以避免一般出现的电磁干扰问题或过量的电磁兼容性设计，是现代电子系统设计的总趋势。
4．发展方向和趋势
电磁兼容的发展伴随着实践中的电磁干扰问题的出现并解决而发展，不断地融入了新的技术手段和研究方法，在新的技术领域中不断面临新的挑战。对于电磁兼容性研究的方法、技术、理论、仪器设备、管理系统、测试设计及试验环境等方面的发展主要有以下一些主要的趋势。
（1）EMC设计方法稳定向前发展
积极主动地预防电磁干扰和电磁兼容的设计方法，是现阶段电磁兼容研究的重要方法，是电磁兼容未来发展的主要方向。目前，我国EMC设计正在规范法的轨道上稳定的向前发展，将来发展的趋势是技术含量更高的系统法，发展的最终结果是将这几种方法高度集成起来，综合衡量EMC的各性能参数，达到更高的EMC要求。
（2）自动化测试平台不断完善
自动测试系统(简称ATS)是以计算机为核心，能自动完成某种测试任务的组合测量仪器和其他设备的有机整体，该测试系统由电磁干扰测试系统、电磁敏感度测试系统和被测件检测系统组成。随着我国ATS系统的不断完善，逐步实现我国ATS系统的高度模块化、数字化、智能化、标准化以及具有较强的开放性系统，可在最大程度上缩短我国电磁兼容测试技术与国外发达国家的差距。
（3）EMC测试与产品功能测试同步进行
一般产品的EMC测试在产品功能测试指标达标后进行。在测试技术发展中，EMC测试将与产品的功能测试融为一体。随着电子仪器的进步，内装自检技术的应用，测试技术正向多媒体化、网络化发展。未来的电子产品检测将是全方位、全自动化的测试。
（4）EMC试验室的经济实惠化
针对不同的待测设备(EUT)，将会出现更多经济实惠的EMC实验室。如近年来推广的混响室、5米法电波暗室、屏蔽小室——WTEM小室等。屏蔽测量技术今后还会有较大的发展，以此为推动力，相应的理论研究和应用研究及其开发工作都将会受到更多的重视。
（5）电磁兼容技术的研究内容将会不断拓宽
21世纪科学技术的进一步发展，特别是信息技术和生命科学的不断突破，对世界政治、经济、文化生活产生了深刻的影响，数字化越来越成为信息技术发展的动力。而目前人类取得的这些科技成就和享受到的由高科技带来的深刻变化，是同人类几十年来在电磁兼容方面所进行的努力密不可分的。无论是在军事方面还是在人类的生产生活领域都离不开电磁兼容性技术，与此同时这些科学的发展也对电磁兼容技术提出了更高要求。
（6）电磁兼容将会更加规范化的向前发展
我国的电磁兼容性标准和规范制度工作开展较晚，与国际发展水平有一定的差距。如今，大至大型电机，小至电动玩具，都要进行电磁兼容测试。其结果的公正性与正确性也显得十分重要。随着相关标准和规范的制定并实施，经过不断的修改、补充和完善，各种电子、电气产品的工作可靠性和稳定性得到显著的提高，环境电磁污染也得到一定的控制。
四、电磁干扰的抑制方法中的滤波技术
1．概述
实现设备和系统的电磁兼容性是一项复杂的技术任务，对于解决这个问题不存在万能的方法。实际上，为保证设备电磁兼容性采取的技术措施可以相对地分为两类：其一是在设备和系统设计时就注意选用互相干扰最小的元件、部件和电路，并在结构上注意合理布局，以保证元件、部件等级上的电磁兼容性。其二就是采用接地、屏蔽、滤波等技术，降低所产生的干扰电平，增加干扰在传播途径上的衰减。
接地、屏蔽和滤波是抑制电磁干扰的三大技术，这是电子设备和系统在进行电磁兼容设计过程中通用的三种主要的电磁干扰抑制方法，每一种都有其独特的作用有时也是相互关联的。
我们这里主要介绍这三大技术中的滤波技术，滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰。以实现这两种不同功能为目标而设计的网络分别称为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器。实践表明，即使一个经过很好设计并且具有合适的屏蔽与接地措施的系统，也仍然会有传导干扰发射或有传导干扰进入此系统。滤波是压缩信号同路干扰频谱的一种方法，当干扰频谱成为不同于有用信号的频带时，就可以用滤波器将无用的干扰过滤减小到一定程度，使传出系统的干扰不至于超出给定的规范，使传入系统的干扰不至于引起系统误动作。滤波器将有用信号和干扰频谱隔离得越充分，它对减小有用信号回路内干扰得效果就越好。因此，恰当地设计选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是极为重要地。
2．滤波的相关概念
滤波是一种压缩信号回路干扰频谱的方法，当干扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将无用的干扰滤除。滤波器主要是由阻抗与频率有关的电感和电容等器件构成的一种网络，它允许某些频率成分(工作信号)通过，而对其它频率成分(干扰信号)加以抑制。特别是对抑制经电源线或耦合电缆传导的干扰信号，具有明显的效果。对干扰源实施滤波，是为了预防不希望的电磁振荡沿与设备相连的任何外部连接线传播到设备；对敏感设备实施滤波，是为了消除沿上述连接线作用在敏感设备上的干扰影响。
滤波器按照工作性质可分为模拟滤波器和数字滤波器两大类，其中数字滤波器又可分为硬件数字滤波器和软件数字滤波器。无论何种滤波器基本上都可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器四种基本类型。
3．滤波器的主要参数
3．1额定电压
额定电压是指保证滤波器可靠工作的最高允许电压。
3．2额定电流
额定电流是指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器能可靠工作所允许的最大连续电流，当环境温度较高时，额定电流应降额使用。
3. 3频率特性
频率特性是指滤波器对不同频率成分的响应特性，是滤波器最重要的特性，即滤波器的插入损耗随工作频率的不同而变化的特性。通常用中心频率、截止频率和插入损耗等表示。
插入损耗由下式定义：

式中IL——滤波器插入损耗（dB）
——接入滤波器后，信号源在负载上建立的电压
——不接滤波器时，信号源在同一负载上建立的电压
3．4输入输出阻抗
从信号源或电源到滤波器的阻抗为输入阻抗。从滤波器到接收电路或负载的阻抗为输出阻抗。为保证滤波器工作时的频率特性满足要求，必须考虑阻抗的搭配。
3．5环境温度
滤波器使用说明书给出的额定电流和插入损耗均为+25℃的值。当工作电流或环境温度较高时，将导致滤波器中的电感和电容参数改变，进而影响滤波器的插入损耗。特别是不允许环境温度超过导磁材料的居里温度或电容器的最高工作温度。
4．滤波器的分类
插入损耗的大小是随工作频率的不同而变化的，通常把插入损耗随频率的变化曲线称为滤波器的频率特性。按频率特性，可把滤波器大体分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种类型。
4．1低通滤波器
低通滤波器对低频信号几乎无衰减的通过，但阻止高频信号通过，在抗干扰技术中，使用得最多。它可以用于交流、直流电源线路，也可以用于放大器电路和发射机输入输出电路，具有衰减脉冲噪声、尖峰噪声、减少谐波和其他杂波信号等多种功能。
电磁兼容设计中之所以广泛使用低通滤波器，是因为频率越高的电磁波越容易传播、越容易发生辐射、越容易发生串扰(导线之间的耦合)，因此，在导线的端口处使用低通滤波器可以滤除电磁波在导线上感应的高频干扰电流，防止高频电流流进导线，借助导线辐射或串扰。

图1基本低通原型滤波器                图2基本n级低通原型滤波器
基本的低通滤波器原型图为图1所示，基本n级低通滤波器原型图为图2所示。图2中，上图n为奇数，为电容性输入电容性输出；下图中n为偶数，为电容线输入，电感性输出。
4．2高通滤波器
高通滤波器在电磁干扰中的应用不如低通滤波器那么广泛，但是当从需要信号通道上滤除交流电源分量或抑制某个特定的低频外来信号时，就需要用到高通滤波器。
高通滤波器的原型图可由低通滤波器改变得到，只需将容性阻抗与感性阻抗互换就可以。
4．3带通滤波器
当干扰信号的频带为不连续时，可采用带通滤波器，使信号频带处于滤波器的通带之内，而干扰信号的频带处于滤波器的通带之外，来实现滤除干扰信号。
4．4带阻滤波器
当干扰信号的频带为不连续时，可采用带阻滤波器，使干扰信号频带处于滤波器的阻带之内，而有用信号的频带处于滤波器的阻带之外，来实现滤除干扰信号。图3和图4分别为多级带通和多级带阻的原型图。

五、数字滤波技术在电磁兼容的应用
1．数字滤波技术概念
数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。一般来说，除了在硬件中对信号采取抗干扰措施之外。还要在软件中进行数字滤波的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实地反映现场的工艺实际情况。
一般来说电磁干扰噪声分为周期性和随机性两类。对周期性的工频或高频干扰，可以通过在电路中加入RC低通滤波器来加以抑制，但对于低频周期性的干扰和随机性干扰，硬件就无能为力了，用数字滤波可以解决这些问题。
2．数字滤波器
数字滤波技术用来提高系统抗干扰能力时，主要方法有：① 利用数字滤波器来滤除干扰；② 采用软件看门狗、多次采样技术、定时刷新输出口等技术来抑制干扰。
数字滤波器(DF)对图像信号的处理过程如下图所示。图像信号首先经过采样／保持电路(S／H)，送至模／数转换器(ADC)转换成数字量，然后通过数字滤波器滤除其中的干扰信号，最后通过数／模转换器(DAC)获得语音信号输出。
图5:DF对图像信号的处理过程
根据所用数学模型的不同，数字滤波器可分为两大类：一类是递归型滤波器．其特点是滤波器的输出不仅与输入信号有关，还与过去的输出值有关；另一类是非递归型滤波器(如一阶、二阶低通滤波器)，其特征是滤波器的输出仅与输入信号有关，而与过去的输出值无关。
3．常用数字滤波法
数字滤波实质上是一种程序滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑加工，减少干扰在有用信号中的比重。常用的数字滤波法有以下几种，在实际应用中应根据数据采集时的干扰性质，采取不同的滤波方法，或几种滤波方法的综合。
（1）算术平均值滤波法
算术平均值滤波法就是对一点的数据连续采样N次，计算其平均值，以平均值作为该点的采样结果。它特别适用于信号本身在某一数值范围附近上下波动的情况。
其算法公式如下：

算术平均值法适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。X的精度取决于检测次数N，N值越大精度越高。但N值的增大会增加存储空间和运算时间的开销，灵敏度降低。
（2）加权平均滤波法
在算术平均滤波算法中，对于N次采样所得的采样值，在其结果所占比重是均等的。也就是说算术平均滤波对每次采样值都给出了相同的加权因子，即1/N．但有时为了突出最近几次采样在平均值的比重，以提高系统对当前干扰的灵敏度，往往对不同时刻的采样值赋予不同的加权因子这种方法称为加权平均滤波法。
其算法公式如下：

式中，、 …… 为常数项，且满足。
加权平均滤波法对以不同采样时间得到的采样值分别给予不同的权系数，以便能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。
（3）防脉冲干扰平均值法
在采样时，经常会遇到尖峰脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，与其他数据相差比较大，如采用一般平均值法，则干扰将平均分到计算结果中去，所以先对平均值法的N个数据进行比较，去掉其中最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值，这样既可滤去脉冲干扰又可滤去最小值的干扰。
（4）一阶递推数字滤波法
在测量回路中常常伴随有电源干扰及工业干扰。这些干扰频率很低，可用一阶递推数字滤波法解决。一阶递推数字滤波法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，实现用软件方法来代替硬件RC低通滤波器。它适用于波动频繁的被测量的滤波，能很好地消除周期性干扰。
其算法公式如下：

为第n次采样值，为第n次采样后滤波器的输出，为第n-1次采样后滤波器的输出。Q为滤波平滑系数，  ，其中T为滤波环节的时间常数，大小根据干扰信号的频率来选取，为采样周期。
（5）中值滤波法
中值滤波法是对一个采样点连续采样N次(一般N取奇数)，将N个采样值按大小顺序排列，取中间值为本次采样值。中值滤波法能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰，但是对快速变化过程的参数则不宜采用。
4．数字滤波的优点
数字滤波同模拟滤波相比有以下优点：
（1）数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强等特点，在改变滤波参数或滤波方法时，只需按要求改写一下滤波程序即可。
（2）数字滤波是运用程序来实现的．不需要增加硬件设备，所以可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配的问题和元件老化问题，滤波性能不受环境和温度的影响。
（3）由于数字滤波是通过采用一定的程序以减少干扰在有用信号中的比重，所以可以不增添任何新的硬件设备就可对很低频率的干扰进行滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。
（4）将数字滤波器和算法有机结合可以提高保护的精度，极大限度地抑制对保护无用的分量；便于时分复用，一套滤波系统可以完成各个通道的滤波任务。
（5）简化系统，降低成本。
5．应用举例
5．1 应用举例1
文[19]介绍在发电厂中小型程控系统中加入数字滤波程序的应用。在该系统中，生产设备的一些运行参数如电压、电流、功率等，以及控制设备对生产运行设备发出的运行指令如变频设备的频率等等，是连续的模拟信号，一般以4-20 mA直流电流的形式传递。这种连续的模拟信号，不能像开关量那样用继电器等简单形式进行电气隔离，即使是应用了先进的光电隔离技术，也只是隔断了电气联系，却不可能滤去叠加在直流信号上的交流干扰成分（因为在电厂中有很多交流导线，在这些交流导线周围，存在着交变磁场，在这一磁场中通过的导线，无论是控制导线还是信号导线都会由于电磁感应原理而受到干扰，在发电厂，这种干扰源都是工频的）。现场实测一些4-20 mA电流信号，发现在回路中的I—U转换负载电阻两端的电压，其交流成分的干扰电压值比有效的直流电压值还高，因此，在程序中加入软件滤波器，根据交流信号积分一个周期其结果为零的原理，将一个周波内的数次采样结果求平均值，实际上就得到了积分的近似结果，滤除了大部分50Hz的干扰信号。不但经济有效，而且大大提高程控系统的抗干扰能力。
5．2 应用举例2
文[21]介绍在火电厂输煤程控系统抗干扰中数字滤波技术的应用。大型火力发电厂输煤系统普遍采用PLC逻辑控制设备进行监控。作为工业控制的自动装置，PLC本身具有一定抗干扰能力，比较适应工业现场环境。但是，由于火电厂输煤系统运行条件恶劣，干扰信号较多，特别是电磁干扰严重，抗干扰问题成为输煤程控系统设计、调试及运行中的一大难题。
为此在输煤程控中通常采用数字滤波的方法。现场模拟量信号经A／D转换变为离散的数字量信号，然后按时间序列存人PLC内存，再利用数字滤波程序对其进行处理，去除干扰。对设备工作模拟量信号采用平均值滤波方法进行预处理。现场实际应用表明，数字滤波技术在程序设计中必不可少，且行之有效。
5．3 应用举例3
文[22]针对电器检测系统中试验数据采集过程中的干扰问题，提出了硬件滤波与数字滤波综合处理的方法。由于硬件滤波器对试验信号中干扰的滤除具有一定的局限性，并且调整困难，开发周期比较长，所以在电器检测数据采集系统中采用与软件滤波相结合的方法。根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况，采用平均值滤波法，即对于一个数据连续采样几次，剔除个别错误数据，计算平均值，以平均值作为采样的结果。

根据滤波前后的波形可以看出，在采用了数字滤波后很好的抑制了脉冲干扰。
5．4 应用举例4
文[14]介绍了电力系统中几种常用的数字滤波器的设计方法及使用场合，并用MATLAB软件进行了仿真分析。数字滤波器实际上是一个采用有限精度算法实现的线性非时变离散系统，它的设计步骤为：首先根据实际需要确定性能指标，再求得系统的传递函数H(z)，最后采用有限精度算法实现。
由于谐波干扰是电力系统中的主要干扰方式之一，那么可以设计只保留需要谐波的滤波器，一般采用全零点滤波器，其传递函数为：

其中，A为实常数，k为减法滤波器的阶次，为减法滤波器滤去的谐波次数，R为要保留的谐波次数，为要滤去的谐波最高次数，r为要滤去的谐波次数，N为一个工频周期内的采样点数。
要设计一个滤除直流分量和1、3、4、5次谐波而保留2次谐波的数字滤波器，已知采用频率为，f=50Hz，所以，记，k=3，按照设计要求 =5，R=2，r=1、3、4、5，由公式得到传递函数为：
差分方程为：y(n)=[x(n)-x(n-3)+x(n-6)-x(n-9)]
令，得到滤波器的频率特性为：

根据该频率特性用matlab仿真得到下图：

可以看出该滤波器很好的抑制了其他次谐波的作用，只保留了2次谐波。
工频带通数字滤波器一般用递归数字滤波器来实现。递归数字滤波器的现行输出不仅与现行输入及前行输入有关，而且与前行输出有关，传递函数为：

实现的差分方程为：

现在设计一个工频带通数字滤波器，要滤去直流分量和2、3、4、6、8、9、12次谐波，已知采样频率为600 Hz。用一个减法滤波器滤去直流和2、4、6、8次谐波，传递函数，再用一个积分滤波器滤去3、6、9、12次谐波传递函数为
所以
同样仿真得到波形如下：

可以看到直流分量和2、3、4、6、8、9、12次谐波得到了很好的滤除。
5．5其他应用举例
文[20]将一种基于MAXNET横向抑制作用的数字滤波技术应用于局部放电信号处理中，通过仿真实验和现场数据的分析处理，阐明了它在局部放电在线监测中对于通讯干扰是一种行之有效的新数字滤波技术。
文[23]分析了“通用施力加载装置”在实际工作中遇到的低频电磁干扰，利用硬件低通滤波器进行滤波，但效果不很理想，通过比较结合采用几种数字滤波方法的效果，找到适合该系统的的最佳滤波算法。
文[24]针对矿用监测监控设备存在的信号干扰问题，提出了数字滤波的必要性和可行性，并给出了相应软件算法。
六、结束语
随着电磁兼容技术的不断发展成长，它在电子、电气领域受到高度的重视。数字滤波技术以其独特的优势在很大程度上弥补了模拟滤波的不足，将会越来越多地应用在电磁兼容领域。在实际的抑制电磁干扰中，我们需要有效地结合硬件与软件滤波，综合运用数字滤波的各种算法，设计合理的滤波参数，并配合正确的接地和良好的屏蔽措施，从而保证电子设备或系统的电磁兼容性得到提高。
参考文献
[1]  白同云，电磁兼容设计，北京邮电大学出版社，2001.
[2]  王定华，电磁兼容原理与设计，电子科技大学出版社，1995.
[3]  俞斌、曹才开，基于DSP的数字图像处理系统中的抗干扰设计，电子测试No.4，2007.
[4]  张建新等，电子设备的滤波技术，光电对抗与无源干扰No.1，2003.
[5]  杨继深，电磁干扰滤波，安全与电磁兼容No.1，2002.
[6]  张国兵、佟洁，电力电子装置的EMC设计，电子质量No.12，2006.
[7]  张黎等，FACTS设备的电磁兼容问题展望，山东大学学报（工学版）No.2，2007.
[8]  陈海霞，电子设备的电磁兼容性设计，电子工程No.2，2006.
[9]  张立伟，浅谈电线电缆与电磁兼容，天津光电线缆技术No.4，2006.
[10] 李妍，数字滤波技术，赤峰学院学报(自然科学版)No.6，2005.
[11] 张海鹏，浅谈电磁兼容，工业科技No.1，2007.
[12] 王晓明，电磁兼容现状及预测分析，电子材料与电子技术No.2，2006.
[13] 张桂华，电磁干扰及抑制与防护，淮北职业技术学院学报No.3,2006.
[14] 吴晓峰等，电力系统微机保护装置的软件抗干扰措施，工业控制计算机No.1，2003.
[15] 张辉，浅谈微机控制中的滤波方法，丹东师专学报，No.4，2000.
[16] 史勇、谢晓霞，测控系统中的软件抗干扰技术，现代电子技术No.19，2006.
[17] 冯巧玲、牛月兰，电力系统数字滤波器的设计及仿真，郑州轻工业学院学报(自然科学版)No.2，2006
[18] 韩德源等，一种抗工频干扰的软件滤波方法，热能动力工程No.5，1991.
[19] 王胜刚，发电厂中小型程控系统的电磁干扰问题，新疆电力No.4，2005.
[20] 王哲等，电力变压器局部放电在线监测中抑制干扰的MAXNET数字滤波技术，哈尔滨工业大学学报No.6，1998.
[21] 栗海峰等，火电厂输煤程控系统抗干扰措施，热力发电No.3，2006.
[22] 李新福等，数字滤波技术在电器检测中的应用，电工技术杂志No.6，2004.
[23] 刘卓夫等，几种数字滤波方法在减摇鳍加载装置中的应用比较，应用科技No.12，2001.
[24] 王正友、赵鸿萍，采用软件滤波提高设备抗干扰性，冶金矿山设计与建设No.4，1997.

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数字滤波技术与电磁兼容

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