常用濾波器設(shè)計(jì)及性能分析

楊韻勍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，山東 威海 264200)

1 引言

低壓電器產(chǎn)品試驗(yàn)是鑒定低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是驗(yàn)證產(chǎn)品性能是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是否存在影響運(yùn)行的缺陷以及通過分析來改進(jìn)設(shè)計(jì)。但是由于各種干擾，低壓電器產(chǎn)品試驗(yàn)參數(shù)存在著無用的噪聲信號，在分析中必須對它們進(jìn)行消噪，才能真實(shí)地反映出原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確分析、鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。濾波器是使用的最多、技術(shù)最復(fù)雜的一種消噪形式。為了更好地、快捷地實(shí)現(xiàn)對濾波器的選型與設(shè)計(jì)，并對所選濾波器的性能進(jìn)行有效地設(shè)計(jì)前分析，本文在分析常用幾種濾波器的原理及特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種常用濾波器設(shè)計(jì)及性能分析系統(tǒng)，針對各種濾波器不同參數(shù)的變化，可以直觀地得到濾波器的相應(yīng)特性。因此一種基于Multisim與LabVIEW軟件的常用濾波器設(shè)計(jì)及性能分析系統(tǒng)具有很大的意義。

2 LabVIEW對Multisim的調(diào)用方法

在傳統(tǒng)的控制邏輯設(shè)計(jì)中，工程師開發(fā)出與模擬電路分享的嵌入式的代碼，但是逐漸地他們需要在系統(tǒng)級進(jìn)行交互，這個(gè)通常很難實(shí)現(xiàn)同時(shí)的仿真。這種仿真能力的缺乏有可能導(dǎo)致開發(fā)出來的嵌入式邏輯并不能很好地支持模擬電路，造成系統(tǒng)效率低于預(yù)期/設(shè)計(jì)指標(biāo)。這將迫使開發(fā)者對算法進(jìn)行調(diào)整并重編譯。

使用LabVIEW Multisim連接工具包可以進(jìn)行可編程控制及實(shí)現(xiàn)Multisim仿真的自動(dòng)化。Multisim自動(dòng)化API支持基于COM接口實(shí)現(xiàn)的Multisim仿真的自動(dòng)化和數(shù)據(jù)采集。該API允許您編程控制Multisim仿真，而無須察看Multisim。利用COM-aware語言編寫的客戶端，可以通過這一接口訪問Multisim，并利用該仿真引擎采集仿真測量結(jié)果。

通過仿真，保證了LabVIEW中開發(fā)的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的算法和代碼可以提供模擬電路所需的運(yùn)行結(jié)果以后，就可以直接用硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，改變達(dá)到最小化。這種設(shè)計(jì)方式是Multisim 12.0新引入的概念，叫做LabVIEW聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真允許在每個(gè)時(shí)間步長中兩個(gè)仿真引擎進(jìn)行交互，這樣就構(gòu)建了一個(gè)對整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。仿真的結(jié)果就是對整個(gè)模擬電路和數(shù)字模塊的驗(yàn)證，包括了所有的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。Multisim作為專為準(zhǔn)備的模擬和混合信號電路仿真的環(huán)境，內(nèi)置了大量頂尖半導(dǎo)體廠商提供的SPICE模型。LabVIEW仿真引擎則以圖形化，數(shù)據(jù)流的形式有效地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制邏輯。該引擎可以為機(jī)械和電力電子系統(tǒng)的嵌入式數(shù)字代碼提供高級的仿真解決方案。這樣的結(jié)果減小了原型化過程中的迭代次數(shù)，并可以用更少的編譯時(shí)間來實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的嵌入式代碼。

此課題選擇了第二種方案，原因是在實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的功能時(shí)，第一種方案要比第二種方案復(fù)雜許多。并且由于此系統(tǒng)的VI結(jié)構(gòu)層次很多，需要改變子VI中的元件值，而使用LabVIEW Multisim連接工具包可以改變和替換設(shè)計(jì)中的頂層組件;子電路中的組件和層次結(jié)構(gòu)中的組件不可以改變。

3 模擬濾波器的原理

3.1 壓控電壓源型濾波器

在壓控電壓源型有源濾波器中，運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)成壓控電壓源，其運(yùn)放為同相輸入，具有輸入電阻高、輸出電阻低的優(yōu)點(diǎn)，能提供一定的信號增益和緩沖作用。并可用簡單的級聯(lián)得到高階濾波器，且調(diào)諧也很方便。該電路在數(shù)控裝置和信號處理電路中有廣泛應(yīng)用。壓控電壓源型有源濾波器電路圖如圖1所示。

圖1 壓控電壓源型率濾波器電路圖

壓控電壓源型有源濾波器的壓控增益Kf為

式中、R0，R為圖1所示電阻，Ω。

壓控電壓源型有源濾波器的傳遞函數(shù)H(s)為

在企業(yè)的發(fā)展過程中，財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理是首要任務(wù)，也是必不可少的工作之一，為了推進(jìn)企業(yè)的發(fā)展，必須要進(jìn)行合理的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理。財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理理念需要在不斷更新的基礎(chǔ)上進(jìn)行，可以有效促進(jìn)企業(yè)財(cái)政風(fēng)險(xiǎn)的減少，也有利于提高企業(yè)的利潤收入，促進(jìn)企業(yè)進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展。

式中，Y1～Y5為圖1所示元器件，電阻單位為Ω，電容單位為F。

二階壓控電壓源有源低通濾波器:當(dāng)Y1，Y2取電阻R1，R2，Y3，Y4取電容C1，C2時(shí)，得到二階低通濾波電路，C1接到運(yùn)放的輸出形成正反饋，電容C1具有超作前用，C2具有滯后作用，它的一級電容的一端接到集成運(yùn)放的輸出端，形成單端正反饋形式，其目的是為了使輸出電壓在高頻段迅速下降，而在接近截至頻率ω0的范圍輸出電壓又不至下降太多，有利于改善濾波特性。

二階壓控電壓源有源高通濾波器:當(dāng)Y3，Y4取電阻R1，R2，Y1，Y2取電容C1，C2時(shí)，得到二階高通濾波電路。由對偶原理知，低通濾波器中的電阻、電容互換位置，就可得到高通濾波器。

二階壓控電壓源有源帶通濾波器:當(dāng)Y1，Y4取電阻R1，R2，Y2，Y3取電容C1，C2時(shí)，得到二階帶通濾波電路。

3.2 無限增益多路反饋型濾波器

`無限增益多路反饋型濾波器如圖2所示。與壓控電壓源型電路一樣，無限增益多路反饋型電路也可由一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成多種二階濾波電路。圖2是由單一運(yùn)算放大器構(gòu)成的無限增益多路反饋二階濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 無限增益多路反饋型濾波器電路圖

無限增益多路反饋型濾波器電路的傳遞函數(shù)為:

二階無限增益多路反饋有源低通濾波器:當(dāng)Y1，Y2，Y3取電阻R1，R2，R3，Y4，Y5取電容C1，C2時(shí)，得到二階無限增益低通濾波電路。

二階無限增益多路反饋有源高通濾波器:當(dāng)Y1，Y2，Y3取電容C1，C2，C3，Y4，Y5取電阻R1，R2時(shí)，得到二階無限增益高通濾波電路。

二階無限增益多路反饋有源帶通濾波器:當(dāng)Y1，Y4，Y5取電阻R1，R2，R3，Y2，Y3取電容C1，C2時(shí)，得到二階無限增益帶通濾波電路。

4 常用濾波器設(shè)計(jì)及性能分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)一共包含兩大模塊，分別為模擬濾波器波特圖模塊與模擬濾波器效果圖模塊。

4.1 模擬濾波器波特圖模塊的設(shè)計(jì)

模擬濾波器波特圖模塊一共包含7個(gè)子VI。在菜單制作中由于子VI中使用了控制仿真模塊中的控制仿真循環(huán)，而且循環(huán)層次較多，需要兩個(gè)while循環(huán)操作停止才可返回總菜單。具體如圖3為子菜單前面板。

圖3 模擬濾波器波特圖菜單前面板

在此菜單中，七個(gè)子VI結(jié)構(gòu)類似，因此以無限增益多路反饋型帶通濾波電路為例，其前面板如圖4所示。

圖4 無限增益帶通濾波器波特圖前面板

首先放置一個(gè)循環(huán)，將輸入控件移至循環(huán)內(nèi)部。調(diào)用Multisim電路圖，將輸入控件與電路圖中的輸入端連接。之后再計(jì)算傳遞函數(shù)并將輸出端連接至波特圖模塊，再連接波形圖表，就可畫出波特圖。同時(shí)，使前面板輸出傳遞函數(shù)。流程如圖5所示。

在Multisim調(diào)用模塊的制作中，由于正常的電阻電容無法輸入?yún)?shù)值也無法輸出參數(shù)值。因此選用壓控電阻與壓控電容器件，被調(diào)用的Multisim電路圖如圖6所示。由于在同一點(diǎn)不可以同時(shí)有輸入端口與輸出端口，所以在壓控端的一頭接輸入端，同時(shí)連接一個(gè)極小的電阻，由于電流流過極小電阻時(shí)可以近似看做是導(dǎo)線電阻，因此由它連接輸出端口這個(gè)方案變?yōu)榭尚小ＴO(shè)這個(gè)極小電阻為0.001Ω。

圖5 無限增益帶通濾波器波特圖模塊流程圖

圖6 無限增益帶通濾波器波特圖所調(diào)用Multisim文件

結(jié)論:模擬濾波器中參數(shù)對性能指標(biāo)的影響如表1～表7所示。

表1 無限增益多路反饋型帶通濾波器

表2 無限增益多路反饋型高通濾波器

表3 無限增益多路反饋型低通濾波器

表4 壓控電壓源型帶通濾波器

表5 壓控電壓源型高通濾波器

表6 壓控電壓源型低通濾波器

表7 壓控電壓源型帶阻濾波器

所有壓控電壓源型濾波器增大R，減小R0都可增大Kp值，減小α值，減小Q值。

4.2 模擬濾波器效果圖模塊的設(shè)計(jì)

此模塊的前面板與模擬濾波器波特圖模塊原理相同。一樣是由7個(gè)子VI構(gòu)成，分別為壓控電壓源型低通濾波電路，壓控電壓源型高通濾波電路，壓控電壓源型帶通濾波電路，壓控電壓源型帶阻濾波電路，無限增益多路反饋型低通濾波電路，無限增益多路反饋型高通濾波電路，無限增益多路反饋型帶通濾波電路七個(gè)子VI，菜單同樣由事件結(jié)構(gòu)制作。

以壓控低通濾波器為例:前面板如圖7所示，第一橫排數(shù)值輸入為對原信號源的振幅，頻率，相位的設(shè)定。第二排的數(shù)值輸入為對干擾信號源的振幅，頻率，相位的設(shè)定。右下方圖為其所調(diào)用的Multisim文件的電路圖，有電路圖可以看到在電源處有一個(gè)輸入接口，在波特圖示儀處有一個(gè)輸出接口。由此，我們可以檢驗(yàn)該濾波器的輸出效果。三個(gè)示波器分別顯示的是在濾波前，濾波后，與理想狀態(tài)下原信號三種情況的波形圖。由下圖我們可以看出在濾波后，干擾信號被濾除。

圖7 壓控電壓源型低通濾波器效果圖前面板

5 結(jié)論

在常用濾波器設(shè)計(jì)及其性能分析系統(tǒng)的開發(fā)過程中，主要研究了壓控電壓源型濾波器和無限增益多路反饋型濾波器的基本理論，在理論基礎(chǔ)上對參數(shù)對于性能指標(biāo)的影響進(jìn)行了嘗試性的比較和總結(jié)，并通過軟件測試驗(yàn)證了本系統(tǒng)的研究成果。此系統(tǒng)在功能上的直觀性，可以使其更好的為工作人員在參數(shù)設(shè)定方面提供參考幫助。

［1］張賢達(dá).現(xiàn)代信號處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］李哲秀.模擬電子線路分析與Multisim仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:37-73.