常用濾波器設計及性能分析

楊韻勍

(哈爾濱工業大學，山東 威海 264200)

1 引言

低壓電器產品試驗是鑒定低壓電器產品質量的一個重要環節，其目的是驗證產品性能是否符合相關標準的規定，是否存在影響運行的缺陷以及通過分析來改進設計。但是由于各種干擾，低壓電器產品試驗參數存在著無用的噪聲信號，在分析中必須對它們進行消噪，才能真實地反映出原始數據，進行精確分析、鑒定產品的質量可靠性。濾波器是使用的最多、技術最復雜的一種消噪形式。為了更好地、快捷地實現對濾波器的選型與設計，并對所選濾波器的性能進行有效地設計前分析，本文在分析常用幾種濾波器的原理及特性的基礎上，設計出一種常用濾波器設計及性能分析系統，針對各種濾波器不同參數的變化，可以直觀地得到濾波器的相應特性。因此一種基于Multisim與LabVIEW軟件的常用濾波器設計及性能分析系統具有很大的意義。

2 LabVIEW對Multisim的調用方法

在傳統的控制邏輯設計中，工程師開發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級進行交互，這個通常很難實現同時的仿真。這種仿真能力的缺乏有可能導致開發出來的嵌入式邏輯并不能很好地支持模擬電路，造成系統效率低于預期/設計指標。這將迫使開發者對算法進行調整并重編譯。

使用LabVIEW Multisim連接工具包可以進行可編程控制及實現Multisim仿真的自動化。Multisim自動化API支持基于COM接口實現的Multisim仿真的自動化和數據采集。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果。

通過仿真，保證了LabVIEW中開發的現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行結果以后，就可以直接用硬件進行實現，改變達到最小化。這種設計方式是Multisim 12.0新引入的概念，叫做LabVIEW聯合仿真。聯合仿真允許在每個時間步長中兩個仿真引擎進行交互，這樣就構建了一個對整個系統的閉環仿真。仿真的結果就是對整個模擬電路和數字模塊的驗證，包括了所有的系統的動態特性。Multisim作為專為準備的模擬和混合信號電路仿真的環境，內置了大量頂尖半導體廠商提供的SPICE模型。LabVIEW仿真引擎則以圖形化，數據流的形式有效地設計和實現控制邏輯。該引擎可以為機械和電力電子系統的嵌入式數字代碼提供高級的仿真解決方案。這樣的結果減小了原型化過程中的迭代次數，并可以用更少的編譯時間來實現更準確的嵌入式代碼。

此課題選擇了第二種方案，原因是在實現統一的功能時，第一種方案要比第二種方案復雜許多。并且由于此系統的VI結構層次很多，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計中的頂層組件;子電路中的組件和層次結構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，運算放大器和電阻構成壓控電壓源，其運放為同相輸入，具有輸入電阻高、輸出電阻低的優點，能提供一定的信號增益和緩沖作用。并可用簡單的級聯得到高階濾波器，且調諧也很方便。該電路在數控裝置和信號處理電路中有廣泛應用。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H(s)為

在企業的發展過程中，財務風險管理是首要任務，也是必不可少的工作之一，為了推進企業的發展，必須要進行合理的財務風險管理。財務風險管理理念需要在不斷更新的基礎上進行，可以有效促進企業財政風險的減少，也有利于提高企業的利潤收入，促進企業進一步可持續發展。

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Y1，Y2取電阻R1，R2，Y3，Y4取電容C1，C2時，得到二階低通濾波電路，C1接到運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Y3，Y4取電阻R1，R2，Y1，Y2取電容C1，C2時，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Y1，Y4取電阻R1，R2，Y2，Y3取電容C1，C2時，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運算放大器構成多種二階濾波電路。圖2是由單一運算放大器構成的無限增益多路反饋二階濾波電路的基本結構。

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為:

二階無限增益多路反饋有源低通濾波器:當Y1，Y2，Y3取電阻R1，R2，R3，Y4，Y5取電容C1，C2時，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Y1，Y2，Y3取電容C1，C2，C3，Y4，Y5取電阻R1，R2時，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Y1，Y4，Y5取電阻R1，R2，R3，Y2，Y3取電容C1，C2時，得到二階無限增益帶通濾波電路。

4 常用濾波器設計及性能分析系統的設計

本系統一共包含兩大模塊，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計

模擬濾波器波特圖模塊一共包含7個子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，而且循環層次較多，需要兩個while循環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，七個子VI結構類似，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

首先放置一個循環，將輸入控件移至循環內部。調用Multisim電路圖，將輸入控件與電路圖中的輸入端連接。之后再計算傳遞函數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，使前面板輸出傳遞函數。流程如圖5所示。

在Multisim調用模塊的制作中，由于正常的電阻電容無法輸入參數值也無法輸出參數值。因此選用壓控電阻與壓控電容器件，被調用的Multisim電路圖如圖6所示。由于在同一點不可以同時有輸入端口與輸出端口，所以在壓控端的一頭接輸入端，同時連接一個極小的電阻，由于電流流過極小電阻時可以近似看做是導線電阻，因此由它連接輸出端口這個方案變為可行。設這個極小電阻為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用Multisim文件

結論:模擬濾波器中參數對性能指標的影響如表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計

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個子VI構成，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子VI，菜單同樣由事件結構制作。

以壓控低通濾波器為例:前面板如圖7所示，第一橫排數值輸入為對原信號源的振幅，頻率，相位的設定。第二排的數值輸入為對干擾信號源的振幅，頻率，相位的設定。右下方圖為其所調用的Multisim文件的電路圖，有電路圖可以看到在電源處有一個輸入接口，在波特圖示儀處有一個輸出接口。由此，我們可以檢驗該濾波器的輸出效果。三個示波器分別顯示的是在濾波前，濾波后，與理想狀態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 結論

在常用濾波器設計及其性能分析系統的開發過程中，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，在理論基礎上對參數對于性能指標的影響進行了嘗試性的比較和總結，并通過軟件測試驗證了本系統的研究成果。此系統在功能上的直觀性，可以使其更好的為工作人員在參數設定方面提供參考幫助。

［1］張賢達.現代信號處理［M］.北京:清華大學出版社，2002.

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