1、1 毕业论文文献综述 电子信息工程 通用双极点高通有源滤波器综述 摘要： 本文对通用双极点高通有源滤波作了较为全面的介绍。概括了各种不同滤波器滤波特性、设计方法及用各种软件进行的仿真。比较了几种有代表性的滤波器设计方法，并对未来有源滤波器的发展趋势进行了展望。 关键词： 滤波器； 设计方法 ；仿真；展望 1、 引言 滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制 (或衰减 ) 的电子装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等 1。 通用双极点高通有源滤波 的优点是： 高频 信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很
2、容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽 2，反映动作迅速，滤除谐波可达到 95以上，补偿无功细致 3。 2、 滤波器分类及应用 2.1 按采用元器件分 无源滤波器 ： 仅由无源元件 (R、 L 和 C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的 原理构成的。 有源滤波器：由无源元件 (一般用 R 和 C)和有源器件 (如集成运算放大器）组成 。 2.2 按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或
3、直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 2.3 滤波器的选取及应用 滤波器 在 测试系统 或专用 仪器 仪表中是一种常用的变换装 置例如： 带通滤波器 用作 频谱分析仪 中的选频装置 ;低通滤波器用作数字信号 分析系统 中的抗频混滤波 ;高通滤波器被用于声发射 检测仪 中剔除低频干扰噪声 ;带阻滤波器用作电涡流 测振仪 中的 陷波器 等等 。 4 2 3、 滤波器设计方法及仿真 3.1 高性能多阶有源带通滤波器设计 通过对高阶巴特沃思低通滤波器的特性研究，选择了二阶正反馈带通滤波
4、器和高阶谐振型带通滤波器 然后通过查设计手册表格，确定元件归一化值，最后将元件归一化值换算到所要求的频段及实际数值，然后到实验室构建电路并调试修改，设计一实际带通滤波器 。 根据设计的电路，在 EDA软件 Multisim2001进行了仿真虚拟实验，由于该软件具有非常强的有源元件和无源元件库，并且可以对无源元件的精度进行设置，可以使仿真结果更真实。同时对该电路还进行了参数扫描分析、噪声分析、灵敏度分析、温度扫描分析等。通过的设计和实验结果，该有源滤波器具有比较好的选频特性；灵敏度比较高，调试方便，比较好地满足了实际系统的需要。将传统的设计方法与现代 EDA技术相结合，对于复杂滤波器的设计，可以
5、大大加快设计速度，设计成功率可达到 100%。 5 3.2 基于贝塞尔带通滤波器精确设计和仿真 带通滤波器技术指标要求带宽 3dB为 2MHz, 在 4MHz处最小衰减为 35dB.在整个通带内时延不变。虽然目前最常用的滤波器设计方法是巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数等几种形式 ,但这些方法在设计140 MHz 滤设器时 , 要通过变换以实现其带通 , 并且它们所设计的滤波器其群延迟特性在通带内呈现凹形波形 , 在其实际的使用 ( 如在广播、移动通信中的中频滤波、二次滤波 )中要进行群延迟均衡 ,这使设计步骤繁琐且使滤波电路复杂。而用 Bessel 函数设计的带通滤波器具有最窄过滤带 , 在通带内
6、时延均衡 6, 在实际的应用中不需要加延迟均衡电路 , 电路容易调整 . 由于所有的节点谐振在相同的频率上 , 调谐比较简单。根据技术要求 , 利用参考文献 7中 Bessel的性能表 , 确定其带通陡度系数。由 Bessel的频率响应曲线可设计一个 N = 4的 Bessel滤波器 , 它在陡度系数 5 处可提供超过35dB的衰减。电路用电容耦合谐振电路来实现。同时借助 Pspice软件 8强大的电路仿真功能对滤波器的波特图和群延迟进行仿真 , 以观测其效果 . 3.3 电路设计的 PSpice 仿真分析 将 PSpice 参数扫描分析和优化设计分析结合起来对电路进行最优化设计方法的具体实施
7、过程如下： （ 1）利用 PSpice 的前端模块 Capture 按电路设计要求绘制电路图，并编辑好所有元器件的属性。 （ 2）选择基本分析类型，并对相应分析类型的参数进行设置，通过 PSpice 对电路进行相应的基本特性分析，使电路基本满足设计的要求。 3 （ 3）通过 PSpice 的参数扫描分析，选择能满足电路设计指标的元器件参数的初始值，使电路性能指标接近设计的要求。参数扫描主要是分析电路中元器件参数值的变化对电路特性的影响，通过此种分析可以正确地选择元器件参数的设计值，包括电压源、电流源、各种常用元器件的模型参数和全局参数等。 （ 4） 利用 PSpice 的波形处理器 Probe
8、，将 PSpice 仿或打印设备上显示出来，以便于比较和分析，并且仿真结果还可接受由基本参数组成的任意数学表达式。 （ 5）基本分析完成后，对电路进行优化设计仿真分析是很有必要的。在优化仿真分析时，需要设置可调整的元器件参数、待优化的目标参数和相应的约束条件等有关的参数，此过程是整个电路设计仿真分析的关键，因为他决定了最大迭代次数和仿真分析的次数，也决定了最终能否达到满意的优化设计结果。通过运行优化仿真程序，可得到电路性能参数的最终优化值、元器件参数的最终优化设计值、优化结果 的均方根误差、最大迭代次数和仿真分析次数。 （ 6）最后将优化仿真设计的结果与设计性能指标进行比较和分析，并用最终优化
9、仿真设计得到的元器件参数值去自动更新原理图中相应的元器件参数，从而完成整个电路的设计。 910 3.4 通用双极点有源滤波器 图 3-1 通用双极点有源滤波器 图 1 所示的有源滤波器电路，由导纳到和一个理想的电压跟随器组成。下面来推到这种通用滤波网络的传输函数，并利用指定的导纳来得出特定的滤波器特性。 列出节点处的 KCL 方程可得 (3-1) 列出节点处的 KCL 方程可得 (3-2) 由电压跟随器特性可得。于是式（ 2）可变化为 4 (3-3) 将（ 3）代入式（ 1），并再次考虑到 ,可得 (3-4) 式（ 4）两边同乘以，并重新整理可得电压传输函数的表达式为 (3-5) 为了得到低通
10、滤波器，和必须是电导，允许低频率信号通过电压跟随器。如果元件是电容器，那么输出信号在高频时将衰减。 为了得到双极点有源滤波器的传输函数，也必须为电容器。而另一方面，如果和为电容器，则信号中的低频成分被阻断，而高频成分通过且能到达电压跟随器，结果为高通滤波器。所以，导纳和都必须为电导才能得到双极点高通传输函数。 4 前景展望 目前，我国对 APF 的研究还主要集中在试验研究阶段，离实用化还有较长的距离。从近年来的研究可以看出 APF 具有以下的发展前景： 1)将智能控制引入传统控制方法中。现在的智能控制方 法虽然已经逐渐应用到有源滤波器的研究中，如无差拍控制、神经网络控制等，但现阶段还没有真正用
11、于实际的例子。因此，建立统一的、能用于实际工程的有源滤波器模型是智能控制需要解决的问题。 2)采用多电平或多重化主电路来实现大容量 APF。近几年，多电平逆变技术以及多电平并联技术由于其在输出波形质量、开关损耗、器件应力等方面的突出优点，引起了广泛的关注。随着门极可关断高压半导体器件的发展和多电平逆变器技术的不断发展，可以预见， APF 将会有更大的发展前途。另外还可以尝试多台 APF 并联运行的可能性。 3)随着 DSP 技术数字 信号处理专用高速芯片控制技术的不断发展，实现 APF 控制的全数字化，将更有利于降低成本、全面工业化。 11 参考文献 1 邓勇 ,刘琪 ,施文康 .通用有源滤波
12、器 UAF42 的原理及应用 J.上海 : 国外电子元器件， 2001. 2 百度百科 ,滤波器 EB/OL,010-11-25. http:/ 3 百度百科 ,模拟滤波器 EB/OL,010-11-25. http:/ 4 net. 模 拟 滤 波 器 在 测 试 系 统 或 专 用 仪 器 仪 表 中 . 模 拟 滤 波 器 的 应 用3628EB/OL,010-11-25. 5 http:/ 5 姚福安 ,徐衍亮 .高性能多阶有源带通滤波器设计 J.电子测量与仪器学报， 2005. 6 朱丽平 , 朱义胜 . PSPICE FOR WINDOWSM.大连 : 大连海事大学出版社 ,1999. 7 Arther B Williams. ELECTRONIC FILTER DESIGN HANDBOOK M.北京 : 电子工业出版社 , 2004. 8 吕洪江 , 杨新德 . 实用 卫星通信工程 M.上海 : 电子工业出版社 ,2003. 9 王少夫 .新型 70MHz带通滤波器设计 J.声学与电子工程 ,2004,(04) . 10 王少夫 ,朱义胜 .基于贝塞尔带通滤波器精确设计和仿真 J.大连海报 ,2005,(01). 11 尹慧，许彦 . 有源滤波器的研究现状及前景展望 M. 中国学术期刊（光盘版） ， 2009.
