基于Filterlab的一種高指標帶通濾波器的設計

蘭 羽，盧慶林

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

目前，國內的大多數玻璃生產廠家采用傳統的人工測量玻璃厚度，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達到高精度，實時監控的目的，而采用激光測量結合光電檢測技術，能做到實時檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高。隨著光電檢測技術的發展，激光外差技術在激光通信、雷達、測距、測速、測振等方面有了廣泛的應用[1]。在玻璃厚度測量方面，激光外差測量技術以其具有分辨率高、精度高、線性度好、動態響應快、在線非接觸測量的優點[2]，逐漸開始取代傳統的測量方法。

1 激光外差玻璃測厚度系統

玻璃厚度的測量系統中應用了激光多普勒效應和激光外差測量技術，測量原理如圖1所示。

激光干涉儀發出的變頻激光通過半透鏡L垂直照射于待測玻璃表面，由于激光在不同時刻的頻率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光場，與其前一時刻在后表面反射后到達前表面的光場因頻率不同而發生混頻，產生差頻信號，和頻信號由半透鏡L反射后到達光電轉換器，光電管將接收到的光信號轉換為電信號，該信號包括激光本振信號、差頻信號、和頻信號和噪聲，其中和頻信號與本振信號頻率較高，超出光電管的頻率響應范圍，利用帶通濾波器的帶寬控制在中頻信號范圍內，即可檢測到差頻信號[3－4]。該差頻信號含有玻璃板的厚度信息，差頻信號的頻率為：f=λh，其頻率與待測玻璃厚度成正比，比例系數λ與光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數有關，當光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數確定，λ為常數。根據頻率差與玻璃厚度的關系，只要測得差頻信號的頻率，就能計算得到玻璃厚度，光電模塊檢測到光外差信號后，經濾波、放大后送單片機處理得到玻璃厚度。

圖1 激光外差技術玻璃測厚系統Fig.1 System of laser heterodyne Doppler thickness measurement

在激光外差測厚系統中，待測光信號經過反射，透射后衰減嚴重，到光電接收器十分微弱，雖然經過光電轉換模塊初步處理，但信號還是非常微弱，而且夾雜著大量的噪聲，待檢測的差頻信號頻率在0.2～0.8 kHz范圍內，因此必須設計一高指標的帶通濾波器對其進行濾波才能把差頻信號提取出來。

傳統濾波器的設計過程是：1）根據阻帶衰減速率要求，計算濾波器的階數n；2）確定具體的電路形式；3）根據電路的傳遞函數建立系數方程組，求出電路中元件的具體參數。該方法復雜繁瑣，精度不高，性能指標不盡如人意[5－6]。

2 濾波器設計

2.1 Filterlab簡介

Filterlab是一款計算機輔助濾波器設計軟件，是電子工程人員設計濾波器的有力工具。其特點：1）界面簡潔，操作方便簡單；2）可設計各種類型低通、帶通或高通濾波器；3）完善的設計向導；4）各參數的可選范圍廣。

為了方便使用 Filterlab，對 Butterworth，Cebyshev， Bessel 3種不同函數構成的濾波器性能作比較：1）Butterworth型濾波器：通頻帶內電壓增益最穩定，轉折區斜率較陡。2）Cebyshew型濾波器：通頻帶內電壓增益波動較大，轉折區斜率最陡。3）Bessel型濾波器：通頻帶內電壓增益有較小波動，轉折區斜率平緩。

Filterlab 設計濾波器各項指標：階數（1～8）；通帶紋（0.01～3.0 dB）；阻帶衰減（10～100 dB）；截止頻率（0.1 Hz～1 MHz）；阻帶頻率（0.1 Hz～1 MHz）；品質因素 Q（0.5～5.0）；通頻寬比（20%～200%）。

2.2 濾波器設計

激光外差測厚系統中待檢測的差頻信號0.3～0.8 kHz范圍內，其含有大量噪聲，整個信號只能達到毫伏級。濾波器設計要求：通頻帶中心頻率fo=500 Hz，上限頻率fH=800 Hz，下限頻率fL=200 Hz，通頻帶外噪聲衰減80 dB。應用Filterlab設計濾波器的過程如下。

1）確定傳遞函數以及濾波器類型，如圖2所示，設置傳遞函數Butterworth，chebyshew及Bessel3項可選，設置濾波器類型有低通、高通、帶通可選。選擇Butterworth型，帶通濾波器。

圖2 傳遞函數、濾波器類型設置Fig.2 Set of transfer functionand folter

2）根據要求確定濾波器各項參數，包括階數、轉折頻率及阻帶衰減，具體如圖3所示。設置衰減系數－80 dB，下限頻率fL=300 Hz，上限頻率fH=800 Hz后，濾波器階數自動生成。

圖3 階數、轉折頻率及阻帶衰減的設置Fig.3 Set of order，turning frequency and stopband

3）電路形式的選擇（有4種）及電路中的電容參數的設置，如圖4所示。電路中電容選擇設定后，電阻的參數是自動生成的。

圖4 電容參數設置Fig.4 Installment of parameter

4）自動生成濾波器電路如圖5所示，圖5中電路由4個二階濾波器串聯構成八階濾波電路。頻率特性曲線如圖6所示，圖6中梯形為電路頻率特性曲線，半梯形斜線為相頻特性特性曲線。

2.3 Filterlab應用體會

1）Filterlab使用簡便，設計濾波器時省去了煩瑣參數的計算，根據需要設置參數，而且設計過程中如發現不符合要求，可返回前面修正濾波器各項參數，直到濾波器特性符合要求為止。

2）設計的濾波器階數n為1～8階，階數越高，濾波器的性能就越好，但電路也越復雜，電路的硬件安裝帶來不便。在設置階數時，不要最高的，要最適合的。

3）設計的濾波器電阻的參數是自動生成的，具體電阻值在實際中可能沒有，硬件安裝時需用其它值串并聯后代替，會影響濾波效果。

3 結 論

激光外差玻璃測厚系統中待檢測的信號是微弱信號，外

圖5 濾波器電路Fig.5 Circuits filter

圖6 濾波器頻率特性曲線Fig.6 Feature curve of the frequency of filter

差信號頻譜分布在0.2～0.8 kHz，被深埋在噪聲當中，需要濾除干擾。用Filterlab設計的高階帶通濾波器，從其頻譜圖上看完全滿足激光外差玻璃測厚系統中待檢測的外差信號濾波。因Filterlab設計的濾波電路中所有元件均為理想元件，對應裝配硬件的電路濾波效果會稍差，所以硬件裝配時盡量選擇噪聲系數小的元件。

[1]桑波，趙宏，譚玉山.激光多普勒測量自適應陷波器去噪研究[J].光子學報，2003，32（2）：152－154.SONG Bo，ZHAOHong，TANYu-shan.Research on adaptive notch filter of laser doppler asurement[J].Acta Photonica Sinica，2003，32（2）：152－154.

[2]Bing H，Cabestaing F.Narrow-band frequency analysis for laser-based glass thickness measurement[J].Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，1（2）：224－227.

[3]宋晨，呂岑，郭琪.一種激光外差多普勒玻璃厚度測量方法[J].光子學報，2008，37（8）:1535－1537.SONG Chen，LV Cen，GUO Qi.One method for measuring thickness of glass by using laser heterodyne and Doppler[J].Acta Photonica Sinica，2008，37（8）:1635－1638.

[4]賀順忠，劉金鳳，蔣誠志，等.激光多普勒差動檢波裝置的信號研究[J].光子學報，2005，34（2）:199－201.HE Shun-zhong，LIU Jin-feng，JIANG Cheng-zhi，et al.Study on the signal of laser Doppler differential demodulation system[J].Acta Photonica Sinica，2005，34（2）:199－201.

[5]陳凱，宋長寶，李永生.基于ADS的一種高指標帶通濾波器的設計[J].國外電子測量技術，2011，30（4）:62－65.CHEN Kai，SONG Chang-bao，LI Yong-sheng.Design of advanced bandpass filter based on ADS[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2011，30（4）:62－65.

[6]柳舒，劉祖深，趙潤年，等.一種新型微帶開環濾波器的設計[J].電子測量技術，2011，34（7）：24－27.LIU Shu，LIU Zu-shen，ZHAORun-nian，et al.Design of novel microstrip filter using open-loop resonators[J].Electronic Measurement Technology，2011，34（7）:24－27.

[7]盧慶林.模擬電子技術[M].重慶：重慶大學出版社，2008.