自適應(yīng)多功能濾波器的仿真實(shí)現(xiàn)

冉興萍　馬習(xí)平　高陽

摘要：提出單個(gè)輸入、三個(gè)輸出的自適應(yīng)多功能濾波器，每個(gè)濾波器都有三個(gè)電流運(yùn)放、兩個(gè)模擬乘法器、一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換（F/V）芯片和一些電容電阻組成。通過選擇不同的輸出端，就可得低通、高通和帶通三種基本濾波功能。利用F/V電路和模擬乘法器實(shí)現(xiàn)濾波器截止頻率的自動(dòng)適應(yīng)。電路結(jié)構(gòu)簡單、增益A獨(dú)立可調(diào)，無源靈敏度低。利用ORCAD軟件仿真測試，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率在200KHz～1M頻范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的濾波電路能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同功能的跟蹤濾波，仿真結(jié)果與理論值符合良好。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)濾波器；多功能濾波器；F/V；頻率自跟蹤

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）18-0224-03

Adaptive Multi-function Filter Simulation Implementation

RAN Xing-ping， MA Xi-ping， GAO Yang

（School of Computer Engineering， ChangJi University， Changji 831100， China ）

Abstract： It was present adaptive functions of single input and three output filter， each filter has three current op-amp， two analog multiplier， a frequency voltage （F/V） conversion chip and some capacitance resistors. By selecting different outputs， be low-pass， high-pass and band-pass three basic filter function. Using F/V circuit and analog multiplier to achieve automatic adaptation of filter cutoff frequency. Circuit structure is simple， adjustable gain A independent， passive sensitivity is low. Use of ORCAD simulation test， when the input signal frequency in 200 KHZ～1MHz frequency range， the design of filter circuit can realize different functions at the same time tracking filter， the simulation results were in good agreement with the theoretical value.

Key words： adaptive filter； multi-function filter； F/V； Frequency automatic tracking

自適應(yīng)濾波技術(shù)是現(xiàn)代信號(hào)處理中的一個(gè)重要分支技術(shù)。目前實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波的方法有兩種，一種是利用各種濾波算法結(jié)合DSP或FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波[1-4]，這種方法算法的復(fù)雜度和控制器的處理速度直接影響信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，其適合于信號(hào)頻率低而且少變的情況。另一種是直接用硬件電路搭建的模擬濾波器，其中較為常見的有兩種方法，第一種是利用電流模器件和電阻電容網(wǎng)絡(luò)組成的模擬濾波電路[5，6]。 這種方法利用接地電容和接地電阻來改變偏置電流的大小進(jìn)而改變截止頻率和品質(zhì)因數(shù)。用這種方法實(shí)現(xiàn)的濾波器不能自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)截止頻率。第二種是利用F/V與壓控濾波單元設(shè)計(jì)的模擬濾波器[7]。這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)截止頻率自動(dòng)跟蹤濾波，但目前所設(shè)計(jì)的濾波器的類型較單一，頻帶范圍較窄。

本文利用高性能的F/V芯片結(jié)合模擬乘法器及電流運(yùn)放設(shè)計(jì)的多功能模擬濾波器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器的特性，并且可以實(shí)現(xiàn)200k～1M范圍內(nèi)的自適應(yīng)濾波。

1 工作原理

圖1為自適應(yīng)多功能濾波器的原理框圖。它主要由信號(hào)預(yù)處理電路、F/V電路和模擬乘法器組成的壓控多功能濾波電路組成。首先輸入信號(hào)分兩路，一路經(jīng)放大電路、限幅電路和整形比較電路組成的信號(hào)預(yù)處理電路對輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的信號(hào)作為F/V電路的輸入，F(xiàn)/V電路的輸出作為壓控多功能濾波電路的一路輸入信號(hào)，利用該電壓輸入信號(hào)控制濾波器的截止頻率；另一路原始信號(hào)作為多功能濾波器的另一路輸入信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)截止頻率自動(dòng)適應(yīng)輸入信號(hào)的頻率的變化。

1.1信號(hào)預(yù)處理電路

信號(hào)預(yù)處理電路的原理框圖如下圖2所示，主要由放大電路、限幅電路和整形電路組成。放大電路由運(yùn)算放大器兩級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，主要用于對小信號(hào)的放大。限幅電路采用二極管限幅電路組成，主要是防止經(jīng)過放大電路后的信號(hào)對后續(xù)電路元件造成損壞。整形電路主要由電壓比較器實(shí)現(xiàn)，主要是將輸入信號(hào)變換為F/V電路所需要的是脈沖信號(hào)。

1.2 F/V電路

F/V電路是將輸入的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之成比例的電壓信號(hào)輸出的電路。F/V電路由專用的F/V芯片AD650與電阻電容網(wǎng)絡(luò)組成[8]，電路如圖3所示。AD650的輸出電壓與輸入頻率的關(guān)系為：

由式（1）可知，選取合適的電阻、電容值便可使輸出電壓與輸入頻率線性變化。

2 自適應(yīng)多功能濾波器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的二階自適應(yīng)多功能濾波器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)低通、高通和帶通的濾波功能。電路采用的是雙二階環(huán)濾波電路，這種形式的電路具有對有源器件要求低，靈敏度低和易調(diào)整的特點(diǎn)[9]。具體電路如圖4所示，U1（AD8001）、R1、R2、R9、R10組成同相求和電路；U3（AD8001）、R5、C1組成積分電路；U4（AD8001）、R8、C2組成微分電路；U2（AD835）、U4（AD835）實(shí)現(xiàn)基本乘法運(yùn)算，間接實(shí)現(xiàn)壓控功能。該電路的特點(diǎn)是：一個(gè)輸入，三個(gè)輸出；各濾波電路的截止頻率和品質(zhì)因數(shù)Q是相等的；但各濾波電路的增益不同。

由（5）式可得各濾波器的截止頻率與控制電壓Vf成正比。由（6）～（9）式可得濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q和增益與Vf無關(guān)，可單獨(dú)調(diào)節(jié)。

各元件參數(shù)的靈敏度為：

由上面的各元件的參數(shù)靈敏度可見，元件值的改變對濾波器的性能影響很小。當(dāng)取R5=R8=R，R2=R9，C1=C2=C時(shí)，則式（5）變?yōu)椋?/p>

由（11）式可得只要合理調(diào)整電容、電阻值就可以實(shí)現(xiàn)濾波器截止頻率的自動(dòng)跟蹤。

3 仿真結(jié)果

因?yàn)锳D835最大輸入電壓為1.0v，選擇的電路參數(shù)為C1=C2=1nF，R=159k，R2=R9=R10=400，R1=1k時(shí)fLP=fBP=fHP=fi，增益分別為ALP=0.57，ABP=0.4，AHP=0.57。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率fi取1.0MHz時(shí)用ORCAD仿真的結(jié)果如圖5。

從仿真結(jié)果分析可得，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度為1v，頻率在200kHz-1MHz的范圍內(nèi)變化時(shí)，經(jīng)過濾波電路后信號(hào)的幅度變?yōu)関LP=vHP=0.57v，vBP=0.4v，且能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)低通、高通和帶通的濾波功能，幅頻特性在通帶內(nèi)較平坦，在阻帶內(nèi)衰減的較好，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

提出了一種自適應(yīng)多功能濾波器的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，待處理信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路后輸入F/V電路將頻率信號(hào)變換為與之成正比例的電壓信號(hào)，然后將該電壓信號(hào)輸入多功能壓控濾波電路的電壓輸入端從而間接實(shí)現(xiàn)濾波器截止頻率的自動(dòng)適應(yīng)。從仿真結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)的濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)高通、低通和帶通的自動(dòng)跟蹤濾波功能，驗(yàn)證了該方法的正確性。由于電路中選用的模擬乘法器和電流運(yùn)放都是高頻性能較好的器件，可以利用分頻及放大原理將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)濾波器頻率的擴(kuò)展。

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