音頻信號有源帶通濾波器設(shè)計(jì)與電路仿真

摘要：結(jié)合核電站的松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)（Loose Parts Monitoring System，以下簡稱LPMS）的信號調(diào)理設(shè)備，根據(jù)加速計(jì)輸出信號的特征，采用了一種簡單、快捷、準(zhǔn)確的濾波軟件（FilterLab 2.0），設(shè)計(jì)出了一種頻率范圍在（1KHz～10KHz）的高性能帶通濾波器，并采用電路仿真軟件（NI Multisim 10）對濾波電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求，具備良好的濾波效果，適用于音頻信號的濾波。

關(guān)鍵詞：音頻信號 帶通濾波器 巴特沃斯 運(yùn)算放大器 仿真分析

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0185-03

Abstract：Combined with signal conditioning equipment of Loose Parts Monitoring System （abbreviation： LPMS） of nuclear power stations and according to features of output signals of accelerometers， this article adopted a sort of simple， quick and accurate filtering software（FilterLab 2.0），designed a sort of high-performance band-pass filter with frequency range 1KHz-10KHz and adopted a circuit simulation software（NI Multisim 10）to conduct simulation verification on filtering circuit. The simulation result met the design demand， had fine filter effect and suited the filtering of audio signals.

Key Words：audio signals； band-pass filter； Butterworth； operational amplifier； simulation analysis

核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部包括堆內(nèi)構(gòu)件和燃料組件，堆內(nèi)構(gòu)件主要由壓緊組件、吊籃組件、堆芯下支承組件等組成，各組件中的部件和零件大部分通過螺釘、銷釘?shù)冗B接。盡管這些連接件在設(shè)計(jì)中采取了防松、防脫措施，但在反應(yīng)堆長期連續(xù)運(yùn)行條件下，因水流沖擊和流致振動(dòng)的影響，可能會使某些零件產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫落，從而在一回路中形成松脫部件。設(shè)備發(fā)生部件松動(dòng)，將使設(shè)備完整性受到破壞，影響其正常工作，松動(dòng)部件脫落后，將隨流道運(yùn)動(dòng)，撞擊設(shè)備和器壁，使設(shè)備和器壁受損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致反應(yīng)堆不能正常運(yùn)行，在國外一些核電廠中曾多次發(fā)生該類嚴(yán)重事故，為了能在很大程度上降低、避免該類事故的發(fā)生[1]，因此在監(jiān)測中要對松脫部件撞擊波進(jìn)行有效識別，撞擊波是由各種幅度、頻率的正弦波信號疊加組合而成的音頻信號，頻率范圍在1KHz～10KHz，幅度范圍±10V，為了精確實(shí)時(shí)的采集撞擊波信號，需要將前端信號做隔離放大、濾波、信號跟隨等處理，以消除結(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)材料噪聲、水力、摩擦等背景干擾噪聲信號對撞擊波信號帶來的影響。本文結(jié)合松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的信號調(diào)理設(shè)備，提出了一種可行的濾波電路設(shè)計(jì)方案。

1 LPMS系統(tǒng)濾波模塊方案設(shè)計(jì)

松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)主要對壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主管道的松脫部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，出現(xiàn)松脫部件時(shí)，松脫部件與設(shè)備器壁或內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生碰撞，產(chǎn)生“彎曲波”信號，彎曲波信號頻率基本上都在1KHz～10KHz范圍內(nèi)，幅度范圍±10V內(nèi)，信號沿器壁和管壁傳播，利用安裝在器壁上的加速度計(jì)來探測這種聲波信號，為了有效準(zhǔn)確的探測出這種信號，信號進(jìn)入信號調(diào)理設(shè)備后，應(yīng)對彎曲波做帶通濾波處理。

信號調(diào)理模塊硬件框圖如圖1。常用的濾波器設(shè)計(jì)有以下三種方法：

（1）數(shù)字濾波器有更高的精度、可靠性、但濾波電路涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、存儲芯片以及數(shù)字信號處理（DSP）芯片，電路成本大大提升，還涉及大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，需要占用DSP大量的資源；

（2）采用現(xiàn)有的濾波器芯片來搭建濾波電路，是一種比較快捷、可靠的方法，但目前常用的濾波器芯片都是±5V供電，無法實(shí)現(xiàn)幅度范圍為±10V的信號濾波；

（3）根據(jù)阻帶衰減速率、濾波器階數(shù)、電路的具體形式、傳遞函數(shù)建立方程組，求出電路中元件的具體參數(shù)，該方法復(fù)雜繁瑣，精度不高，性能指標(biāo)不盡如人意[2]。因此，借助Microchip公司的濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterLab 2.0來完成音頻信號帶通濾波器設(shè)計(jì)是一種切實(shí)可行的方法。

2 有源帶通濾波器設(shè)計(jì)

FilterLab 2.0 是一款有源濾波器設(shè)計(jì)軟件，可以設(shè)計(jì)低通、高通、帶通濾波器，有源濾波器由無源器件（R、C）和有源器件（一般用集成運(yùn)算放大器）組成，并提供了巴特沃斯（Butterworth），切比雪夫（Chebyshey）及貝塞爾（Bessel）三種濾波器類型可選，Butterworth 型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益最穩(wěn)定，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率較陡；Chebyshey 型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率最陡；Bessel型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益有較小波動(dòng)，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率平緩[3]。

啟動(dòng)FilterLab軟件，輸入設(shè)計(jì)濾波器的類型、參數(shù)后，軟件會自動(dòng)生成電路原理圖和元件參數(shù)，并對電路做幅頻特性、相頻特性分析。軟件給出的濾波電路使用了兩種最簡單的電路模式，SallenKey（二階壓控電壓源）和MFB（二階無限增益多路反饋），供用戶選用[4]。

音頻信號帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

（1）信號在整個(gè)通帶內(nèi)信號衰減不大于0.5dB；

（2）邊沿頻率（頻率為1KHz、10KHz）衰減不大于1.5dB；

（3）阻帶衰減40dB以上。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)濾波器類型選用Butterworth型濾波器，電路模式選用SallenKey電路，軟件給出的濾波電路中的電容可以調(diào)整，電阻隨電容的改變，自動(dòng)生成，運(yùn)算放大器選用低功耗、低噪聲的OP482G芯片，OP482G芯片是±15V供電，內(nèi)部集成4個(gè)運(yùn)算放大器，因此可以級聯(lián)出比較優(yōu)化的八階濾波電路，信號先通過低通濾波器（邊沿頻率10KHz，截止頻率為20KHz），幅頻、相頻特性如圖2，再通過高通濾波器（邊沿頻率1KHz，截止頻率為500Hz），幅頻、相頻特性如圖3，從以上兩圖可以看出設(shè)計(jì)的濾波器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而形成頻率范圍為1KHz～10KHz的帶通濾波器。

3 Multisim10軟件平臺下帶通濾波器仿真

Multisim10是美國NI公司推出的一種電子電路仿真軟件，該軟件基于PC平臺，已被廣泛應(yīng)用于電子電路分析，設(shè)計(jì)和仿真等工作中。Multisim10提供了豐富的元器件庫，具備電源、信號源庫、基本器件庫、二極管庫、晶體管庫、模擬集成電路庫；同時(shí)還具備強(qiáng)大的虛擬儀器儀表庫，用戶能方便的調(diào)用數(shù)字萬用表、示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、瓦特表、掃描儀、頻譜分析儀等虛擬分析儀器；此外Multisim10 提供了直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、失真分析、參數(shù)掃描分析等，能基本滿足電子電路設(shè)計(jì)和分析的要求[5-6]。

在Multisim 10平臺下，根據(jù)FilterLab 2.0軟件提供的低通濾波器、高通濾波器原理圖，選定元器件模型并確定電路中各元器件的參數(shù)，電阻的誤差設(shè)定為0.1%，電容的誤差設(shè)定為5%，連接好電路，如圖4，使用相應(yīng)的函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、波特圖儀進(jìn)行在線測量，然后對照電路設(shè)計(jì)的需求，觀察仿真結(jié)果是否與設(shè)計(jì)需求一致。

將圖4所示電路分別輸入頻率為5KHz、20KHz，峰值5V的正弦波信號，檢查無誤后，點(diǎn)擊仿真按鈕，通過雙蹤示波器觀察到的波形如圖5、6，紅色波形是輸入的正弦波信號，黃色波形是濾波后的輸出信號。當(dāng)輸入信號頻率為5KHz時(shí)，信號處于通帶內(nèi)的中心頻率，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，輸出信號衰減不能超過0.5dB，且波形不失真，從圖5、7的仿真測試結(jié)果可以看出，信號衰減0.021dB，輸出信號與輸入信號幅度誤差0.24%，波形不失真，濾波性能良好，滿足設(shè)計(jì)需求；當(dāng)輸入信號為20KHz時(shí)，20KHz處于阻帶，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，輸出信號衰減應(yīng)達(dá)到40dB，從圖6、7的仿真測試結(jié)果可以看出，信號衰減43dB，輸入信號的幅度被衰減了141倍，黃色的輸出波形的幅度已經(jīng)很小了，峰值約36mV，圖6上幾乎看不出輸出波形，處于阻帶頻率的信號得到了很大程度的衰減，同樣滿足設(shè)計(jì)需求。

為了直觀觀察整個(gè)頻段內(nèi)不同頻率信號的仿真結(jié)果、特征、趨勢，可以調(diào)用波特圖儀掃頻測量得到波特圖，如圖7。在整個(gè)頻段上觀察信號的幅頻、相頻特性，與FilterLab 2.0的計(jì)算結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié)語

采用FilterLab 2.0設(shè)計(jì)濾波器是一種快捷、高效的方法，軟件能快速給出濾波電路圖、幅頻相頻特性圖以及電阻、電容器件的參數(shù)值，但軟件給出的電子元器件的值是理想化的，沒有考慮電阻、電容隨溫度變化對濾波性能的影響，為了進(jìn)一步確保設(shè)計(jì)的正確性，采用Multisim10軟件對濾波電路做全面的仿真驗(yàn)證，并在仿真時(shí)把電阻、電容的誤差考慮進(jìn)去，根據(jù)仿真的幅頻、相頻特性實(shí)時(shí)調(diào)整元器件的參數(shù)，也方便實(shí)際中的電路板調(diào)試，經(jīng)實(shí)際測試，濾波電路既能有效衰減低頻信號，又能有效衰減高頻信號，從而獲得真實(shí)、有用的撞擊波信號，LPMS系統(tǒng)能有效識別，采集精度大大提高，滿足使用要求，濾波模塊已成功應(yīng)用于LPMS系統(tǒng)的信號調(diào)理設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)

[1]劉才學(xué)，汪成元，鄭武元，李翔，鄧圣，胡建榮，簡捷.核電站松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].核動(dòng)力工程，2010，31（1）：97-100.

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[6]黃智偉，李傳琦，鄒其洪.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

收稿日期：2016-09-08

作者簡介：李邵男，男，四川成都人，在校學(xué)生。