滤波器设计论文汇总十篇

时间:2023-03-20 16:07:44

滤波器设计论文

滤波器设计论文篇(1)

引言

并联有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置,近年来,有源电力滤波器的理论研究和应用均取得了较大的成功。对其主电路(VSI)参数的设计也进行了许多探讨[1][2][3],但是,目前交流侧滤波电感还没有十分有效的设计方法,然而该电感对有源滤波器的补偿性能十分关键[2]。本文通过分析有源电力滤波器的交流侧滤波电感对电流补偿性能的影响,在满足一定效率的条件下,探讨了该电感的优化设计方法,仿真和实验初步表明该方法是有效的。

图1

1三相四线并联型有源电力滤波器的结构与工作原理

图1为三相四线制并联型有源电力滤波器的结构。主电路采用电容中点式的电压型逆变器。电流跟踪控制方式采用滞环控制。

以图2的单相控制为例,分析滞环控制PWM调制方式实现电流跟踪的原理。在该控制方式中,指令电流计算电路产生的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较,两者的偏差作为滞环比较器的输入,通过滞环比较器产生控制主电路的PWM的信号,此信号再通过死区和驱动控制电路,用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件,从而实现电流ic的控制。

以图3中A相半桥为例分析电路的工作过程。开关器件S1和S4组成A相的半桥变换器,电容C1和C2为储能元件。uc1和uc2为相应电容上的电压。为了能使半桥变换器正常跟踪指令电流,应使其电压uc1和uc2大于输入电压的峰值。

当电流ica>0时,若S1关断,S4导通,则电流流经S4使电容C2放电,如图3(a)所示,同时,由于uc2大于输入电压的峰值,故电流ica增大(dica/dt>0)。对应于图4中的t0~t1时间段。

当电流增大到ica*+δ时(其中ica*为指令电流,δ为滞环宽度),在如前所述的滞环控制方式下,使得电路状态转换到图3(b),即S4关断,电流流经S1的反并二极管给电容C1充电,同时电流ica下降(dica/dt<0)。相对应于图4中的t1~t2时间段。

同样的道理可以分析ica<0的情况。通过整个电路工作情况分析,得出在滞环PWM调制电路的控制下,通过半桥变换器上下桥臂开关管的开通和关断,可使得其产生的电流在一个差带宽度为2δ的范围内跟踪指令电流的变化。

当有源滤波器的主电路采用电容中点式拓扑时,A,B,C三相的滞环控制脉冲是相对独立的。其他两相的工作情况与此相同。

2滤波电感对补偿精度的影响

非线性负载为三相不控整流桥带电阻负载,非线性负载交流侧电流iLa及其基波分量如图5所示(以下单相分析均以A相为例)。指令电流和实际补偿电流如图6所示。当指令电流变化相对平缓时(如从π/2到5π/6段),电流跟踪效果好,此时,网侧电流波形较好。而当指令电流变化很快时(从π/6开始的一小段),电流跟踪误差很大;这样会造成补偿后网侧电流的尖刺。使网侧电流补偿精度较低。

假如不考虑指令电流的计算误差,则网侧电流的谐波含量即为补偿电流对指令电流的跟踪误差(即图6中阴影A1,A2,A3,A4部分)。补偿电流对指令电流的跟踪误差越小(即A1,A2,A3,A4部分面积越小),网侧电流的谐波含量(尖刺)也就越小,当补偿电流完全跟踪指令电流时(即A1,A2,A3,A4部分面积为零时),网侧电流也就完全是基波有功电流。由于滞环的频率较高,不考虑由于滞环造成的跟踪误差,则如图6所示网侧电流的跟踪误差主要为负载电流突变时补偿电流跟踪不上所造成的。

分析三相不控整流桥带电阻负载,设Id为负载电流直流侧平均值。Ip为负载电流基波有功分量的幅值,。

下面介绍如何计算A1面积的大小,

在π/6<ωt<π/2区间内

ic*(ωt)=Ipsinωt-Id(1)

在π/6<ωt<ωt1一小段区间内,电流ic(ωt)可近似为直线,设a1为直线的截距,表达式为

ic(ωt)=a1-[uC1-Usmsin(π/6)/L]×t(2)

ic(π/6)=ic*(π/6)(3)

ic(t1)=ic*(t1)(4)

由式(1)~式(4)可以求出a1及t1的值。

在π/6<ωt<ωt1(即1/600<t<t1)区间内,ic与ic*之间的跟踪误差面积A1为

同样可以求出A2,A3,A4的面积。

A2=0.405[(I2dL)/(330IdL+(Ucl+0.5Usm))]

由对称性,得到A3=A1,A4=A2

因此,在一个工频周期内,电流跟踪误差的面积A为

A=A1+A2+A3+A4

=[(0.81Id-0.45δ)IdL]/[165IdL+(Uc1+0.5Usm)]+[(0.81Id-0.45δ)IdL]/[330IdL+(Ucl+0.5Usm)](5)

这里假定上电容电压Uc1等于下电容电压Uc2,Usm为电网相电压峰值,L为滤波电感值(假设La=Lb=Lc=L),Id为非线性负载直流侧电流。

3滤波电感对系统损耗的影响

有源滤波器一个重要的指标是效率,系统总的损耗Ploss为

Ploss=Pon+Poff+Pcon+Prc(6)

式中:Pon为开关器件的开通损耗;

Poff为开关器件的关断损耗;

Pcon为开关器件的通态损耗;

Prc为吸收电路的损耗。

3.1IGBT的开通与关断损耗

有源滤波器的A相主电路如图7所示。假设电感电流ic为正时,则在S4开通之前,电流ic通过二极管D1流出,当S4开通后,流过二极管D1的电流逐渐转移为流过S4,只有当Dl中电流下降到零后,S4两端的电压才会逐渐下降到零。因此,在S4的开通过程中,存在着电流、电压的重叠时间,引起开通损耗,如图8所示。

由图8可知单个S4开通损耗为

开通损耗为

式中:ic(t)为IGBT集电极电流;

Uc为集射之间电压(忽略二极管压降即为

主电路直流侧电压);

ton为开通时间;

T0为一个工频周期;

fs为器件平均开关频率;

Iav为主电路电流取绝对值后的平均值。类似可推得关断损耗为

Poff=6×(IavUctorr)/2×fs(10)

式中:toff为关断时间。

3.2IGBT的通态损耗

假设tcon为开关管导通时间,考虑到上下管占空比互补,可假设占空比为50%,即tcon=0.5Ts。

则通态损耗为

Pcon=6∑ic(t)Ucestcon/T0=3IavUces(11)

式中:Ts为平均开关周期;

Uces为开关管通态时饱和压降。

3.3RC吸收电路的损耗

RC吸收电路的损耗为

Prc=6×1/2CsUc2fs(12)

式中:Cs为吸收电容值。

fs=(U2c-2U2sm)[2]/8δLUc(13)

通过以上分析,可以得到系统总损耗为

Ploss=Pon+Poff+Pcon+Prc(14)

4滤波电感的优化设计

在满足一定效率条件下,寻求交流侧滤波电感L,使补偿电流跟踪误差最小。得到如下的优化算法。

优化目标为minA(Uc,L)

约束条件为Ploss≤(1-η)SAPF(15)

应用于实验模型为15kVA的三相四线制并联有源滤波器,参数如下:

SAPF=15kVA,Vsm=310V,η=95%,

Id=103A,Iav=18A,δ=1A,

Cs=4700pF,Uces=3V,ton=50ns,

toff=340ns。

在约束条件下利用Matlab的优化工具箱求目标函数最小时L与Uc1的值。可得到优化结果为:跟踪误差A=0.1523,此时交流侧滤波电感L=2.9mH,直流侧电压Uc=799V。

5仿真与实验结果

表1列出了有源电力滤波器容量为15kVA时,电感取值与补偿后网侧电流的THD的比较。

表1不同电感L取值下仿真结果

交流侧滤波电感L/mH直流侧电压Uc/V网侧电流的THD/%

2.980016

580021.5

780024

滤波器设计论文篇(2)

2巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器比较

按照低通滤波器的衰减特性,可以分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、考尔参数滤波器和一般参数滤波器。后两类滤波器要求元件严格符合设计值,而且为了达到设计的目的所需的阶数都较高这为滤波器的实现带来了困难[6],因此本文仅针对巴特沃斯和切比雪夫滤波器的输出特性进行讨论。

2.1巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器简介巴特沃斯滤波器又称最平响应滤波器,在靠近零频率(直流)处具有一个最平通带,其平坦度随着阶数的增大而增大。趋向阻带时,衰减单调增大,在ω=∞上出现无限大值。其衰减特性如图1a所示。当截止频率为ωp时,其传输函数的模平方和衰减分别为切比雪夫滤波器的特点是,通带内衰减在零值和所规定的上限值之间做等起伏变化;阻带内衰减单调增大,在ω=∞上出现无限大值。其传输函数的模平方和衰减分别为

2.2相同衰减特性时阶数的确定首先研究一下当Ω很大时,巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的衰减特性。由式(2),若Ω1,则巴特沃斯滤波器衰减近似为由上式可知切比雪夫滤波器的衰减特性渐进于由起始值6(n?1)+20lgε开始,按每倍频程6ndB的速率上升的直线。且假设通带最大衰减为Ap,两滤波器有共同的表达式p20.1101Aε=?巴特沃斯滤波器阶数选取公式

3PWM整流器直流滤波器分析

3.1滤波器阶数的选取当整流器为电流源型PWM整流器时,其输出充电电流的谐波含量与整流变压器输出电压U0、调制比m、直流侧储能电感L、电池内阻r0以及电池端电压E0有关,当U0、r0和E0已定,PWM整流器输出电流谐波随着m的增大而减小。考虑极端的情况,假设oU/3=150V,电池端电压为E0=48V(根据目前实验室已有的条件,模拟4节12V/150A的串联电池组),r0=0.3Ω,直流侧储能电感为3mH,则按照10h率充电的原则,调制比应设在0.23左右,输出电流谐波含量为14.5%。因为PWM整流器输出谐波主要为高次谐波且与开关频率k有关[7]。按照2.1.1节方法,重新设计滤波器阶数,则巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的阶数都为3。

3.2相同阶数时两类滤波器比较分析同为3阶时巴特沃斯和切比雪夫滤波器的响应时间。根据文献[8],我国低压电网的阻抗值远大于动力蓄电池组的阻抗值,因此设计按匹配型滤波器设计充电机的直流滤波器会影响滤波效果,缩小输出电流的可调范围。按照非匹配型滤波器设计,并根据系统电压可近似看作恒定不变的特点,以恒压源激励的非匹配型滤波器设计两类三阶的滤波器。恒压源激励的三阶巴特沃斯和切比雪夫滤波器拓扑结构相同,如图2所示。参数见表1。系统的响应时间可近似由其阶跃响应得到。因为电池充电时滤波器两侧都有电源,将图2所示结构滤波器看作是由端口N1和N2构成的含源双端口网络,很容易写出当N1激励为U1,N2激励为E1时,N2电流I2对U1和E1的响应为当电池组内阻为0.3Ω,Ap取1~10之内的整数时巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的参数见表1。其中电感的单位为毫亨,电容的单位为微法。将表1的数据代入式(7)求拉氏反变换即可求出其阶跃响应。理论上说两滤波器的阶跃响应都是趋于无穷远处的减幅振荡,为了比较两滤波器的响应速度,认为振荡幅值小于稳定值的0.1%时即达到稳态,则系统响应时间见表2响应时间对应数据。

4仿真验证

4.1电流型PWM整流器滤波基于Matlab环境按照图2所示搭建电池充电系统,其中整流器选择电流型PWM整流器。因为电流型PWM输出电流谐波含量与整流变压器输出电压U0、调制比m、直流侧储能电感L、电池内阻r0以及电池端电压E0有关,论文仅讨论其他因素一定,调制比较低时的滤波效果(此时输出谐波含量较高)。此时仿真系统内参数设置为,整流变压器输出相电压为150V,直流储能电感为3mH,电池内阻为0.3Ω,端电压为48V,按照20A充电,m=0.23。将表1数据分别代入该系统的滤波器,仿真比较巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器输出的滤波波形及其滤波效果。计算出相对于直流的谐波畸变率。因为滤波后各次谐波含量基本在0.5%以下,为了便于观察谐波分布情况,图中将基波含量略去不显示。计算结果见表2。限于篇幅,本文仅给出当Ap=5时,电流型PWM整流器输出电流波形,如图3所示。从表2和图3可以看出,当滤波器的阶数为3时,巴特沃斯滤波器的滤波效果和响应时间,整体输出性能要优于切比雪夫滤波器,因而更加适合于电流型PWM整流器直流侧滤波器的设计。

4.2三阶滤波器与滤波电感的比较因为直流侧电感的取值是限制电流型PWM整流器应用的一个关键因素,根据文献[10],要达到电池充电低纹波的要求,电感取40mH。因此本文设计了当直流侧仅用40mH电感滤波的电路,与Ap=5时巴特沃斯滤波器的滤波效果进行比较,仿真波形如图4所示。由图4可以看出,稳态时电感两端压降达到212V,而滤波器仅为60V。因为本文仿真所用为理想元件,因此对输出电流几乎没有影响,但是实际上电感元件是有内阻的,如此大的压降必定会产生巨大的损耗,这直接造成了能源的浪费。如果将滤波电感的内阻设为0.14Ω,则充电电流仅为15.6A(此部分在实验部分有进一步的验证)。因为电感滤波响应时间较慢,因此论文选取1.98~2s间的数据进行分析,当以直流为基准时,计算输出电流谐波含量,电感滤波计算结果为0.5710,滤波器计算结果0.3492,而且三阶滤波器的响应时间明显少于电感滤波的响应时间。仿真表明,无论对电感的需求还是实际滤波效果,三阶滤波器的效果要优于电感滤波。

5实验论文进行了三方面的实验验证:首先根据同一输出特性,设计了相同阶数和拓扑结构的巴特沃斯和切比雪夫滤波器进行滤波实验,验证两组滤波器在相同要求下各自不同的输出特性;然后在开环情况下,通过改变PWM整流器的占空比m改变输出电流的数值,以验证巴特沃斯滤波器的响应速度和稳态性能;最后进行了纯电感滤波和采用三阶滤波器滤波时,滤波电流响应速度和稳态性能的比较,验证三阶滤波器在响应速度和减小损耗两方面的优点。

5.1两滤波器输出特性比较图5所示为当Ap=3时,巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器滤波前后电流波形以及滤波后电流频谱分析的结果。其中图5a和图5b是两滤波器滤波前后电流的对比,上半部分为滤波器输入电流,下半部分为滤波器输出电流,图5c和图5d是将数字滤波器DL1600采集的电流数据进行频谱分析后的结果。因为滤波后谐波含量较小,含量最大的为0.3%,因此显示时略去了柱状图中表示直流电流含量的部分,以便观察。由实验波形可以看出,两滤波器在稳态的滤波效果是满足滤波要求的,切比雪夫滤波器因为在阻带有较高的衰减增长速率,因而稳态滤波效果优于巴特沃斯滤波器。但是切比雪夫滤波器的传输函数在阻带内有等波纹的衰减,而巴特沃斯滤波器在阻带内衰减是平坦的,两者的传输特性决定了在相同的设计要求下,切比雪夫滤波器的响应速度比巴特沃斯滤波器要慢得多。为了增加直流侧滤波器频率较低谐波的衰减,需要增大Ap取值,这将增加切比雪夫滤波器的响应时间。在实验中切比雪夫滤波器需要120ms达到稳态,而巴特沃斯滤波器仅需40m即可达到稳态。

5.2巴特沃斯滤波器的响应特性在开环情况下通过改变调制比m改变输出电流I0,以验证滤波器的综合性能。调制比m数值由0.40.70.40.7,实验结果如图6所示。其中图的上半部分是滤波前的电流的波形,图的下半部分是滤波后的波形。限于篇幅略去了FFT的分析结果。经计算总谐波含量均小于0.5%。实验表明滤波器具有良好的滤波效果和响应速度。

5.3电感滤波与三阶滤波器的比较图7所示为电池端电压12.8V,变压器输出35V,直流侧采用三阶巴特沃斯滤波器和仅采用40mH电感滤波的实验波形。由于电感滤波时,PWM整流和电感是串联电路,因此无法进行滤波前后波形对照。但是因为图7a和图7b中除了滤波元件外,其他实验条件完全相同,因此电感滤波前的波形可以参考图7a中滤波前的波形。二者输出电流的频谱分析如图7c和图7d所示。从实验结果可以看出,三阶滤波器滤波电流频谱中6次及以上的谐波含量非常小。这是因为滤波器设计时以6次为阻带频率的起点;大于6次的谐波对应的衰减是按照频率的增大单调上升的直线。谐波次数越高,对应的衰减越大,因而6次及以上的谐波得到了很好的抑制。而电感滤波虽然对于最高次谐波的滤除效果接近三阶滤波器,但是总的谐波含量要大得多,这是因为电感滤波仅仅是利用元件“恒流”的原理减小电流纹波的缘故。因此三阶滤波器虽然所用两个电感远小于电感滤波时需要的电感值,但是滤波效果和响应速度要优于电感滤波。由实验还可以看出,由于电感的压降远大于滤波器压降,其损耗大于三阶滤波器,因此在相同的条件下,其输出电流仅为滤波器滤波的80%。用电桥法测量电感的内阻为0.14Ω,此结果进一步验证了仿真的结论。本实验证明,电流型PWM滤波器直流侧采用三阶巴特沃斯滤波器后,选用较小的电感值就能输出相对恒定的电流(谐波含量小于0.5%),达到大电感才能达到的滤波效果。而且由于滤波器两端的压降小于纯电感,因此损耗较小,能够输出更大的电流。

滤波器设计论文篇(3)

中图分类号:TN713 TN702文献标识码: A文章编号:1009-3044(2008)23-1072-03

Design and Simulation of IIR Filter Based onMATLAB

WANG Zhan-zhong

(Department of Computer Science and Information Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China)

Abstract: MATLAB-based methods are introduced to design the infinite impulse response (IIR) filter effectively. To design the IIR filter , it can be programmed by MATLAB language or FDATool tool. Detailed steps of theseways are given. With the Simulink of MATLAB, the simulation for designated filter is also introduced.

Key words: digital filter;MATLAB;IIR

1 引言

数字滤波器(Digital Filter,DF)是数字信号处理的重要内容,在对信号的过滤、检测与参数的估计等信号处理中,数字滤波器是使用最为广泛的装置,无论在工业、农业和其它行业均有应用。数字滤波器实质上是一个有限精度算法实现的线性时不变离散系统,它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换,改变输入序列的频谱或信号波形,让有用的频率信号分量通过,抑制无用的信号分量输出[1]。数字滤波器按照其冲激响应函数的时域特性,可分为无限长冲激响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器和有限长冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器。在满足相同指标下,IIR滤波器的阶数明显小于FIR,硬件实现容易且大大减少了运算量,遗憾的是IIR是非线性相位,在不要求严格线性相位的情况下,IIR滤波器的应用相当广泛。

本文基于 MATLAB7.1 讨论 IIR 数字滤波器的设计问题。在 MATLAB 里提供了很多设计数字滤波器的方法,这里只介绍两种:通过程序设计和通过 FDATool 工具设计。通过一个具体的实例,说明详细的操作,最后对实现的滤波器进行仿真。

2 常规IIR滤波器的基本设计法

IIR滤波器设计的最基本的方法就是模拟原型法。数字滤波器和模拟滤波器有千丝万缕的联系,它们之间的转换是s平面和z平面的转换,转换的基本方式就是冲激响应不变法和双线性变换法。根据设计指标用合适的传递函数去实现之,对于要求特殊的滤波器,自我构建传递函数是一个非常复杂的工作,不过经过努力可以得到极佳的效果(当然MATLAB也提供从指定的频幅特性的直接设计,在此不作讨论)。对于常规的应用而言,MATLAB 提供有许多经典的模拟原型函数候选[2-3]。设计人员要做的工作是选取适宜的函数,指定合适的参数,最后对得到滤波器进行验证。

选择原型函数时的考虑如下:巴特沃斯滤波器的频率特性在通带和阻带内都是随着频率单调的变化,显然,如果在通带的边缘能满足指标,在通带的内部肯定超过设计指标要求,造成滤波器的阶数比较高,在各频带内没有幅度的波动,如果要求幅值稳定性极好时,巴特沃斯滤波器是一个不错的选择。在许多情况下,降低滤波器的阶数至为重要,因为降低阶数意味着实现简单、成本低,所以一般设计人员都比较重视降低阶数。如果将指标的精度要求均匀地分布在整个通带内,或者均匀地分布在整个阻带内,更有效的方法是同时均匀地分布在通带和阻带内,可以设计出满足设计要求的、阶数又比较低的的滤波器。切比雪夫I型滤波器特性是频幅在通带内是等波纹的,在阻带内是单调的;切比雪夫II型则相反,在通带内是单调的,在阻带内是等波纹的。所以一般地讲,切比雪夫滤波器的阶数比巴特沃斯滤波器要低些。还有一种值得关注的滤波器是椭圆滤波器,它是采用椭圆法设计出低通的模拟滤波器,然后采用变换的方法得到数字的高通、低通、带通和带阻的滤波器。在模拟滤波器的设计中,椭圆滤波器的设计是几种滤波器设计方法中最为复杂的一种方法,但是它设计出的滤波器的阶数最小,同时它对参数的量化灵敏度最敏感,是值得关注的一种原型滤波器。

3 设计实例

设计内容:有用信号为150Hz正弦波,要求设计一个 IIR 带通滤波器,滤掉信号中的工频成分及高频部分,阶数为4,截止频率为100,200Hz,抽样频率为1000Hz,信号s=sin(100*pi*t)+sin(300*pi*t)+ sin(800*pi*t)。

3.1 程序设计方法

程序设计方法是通过具体的命令,来完成给定的任务。这种方法可以使设计人员像过去手工设计滤波器一样的思维方式设计滤波器。具体步骤如下(原型为椭圆函数):

Step1:产生含有3个正弦分量的信号

Fs=1000; t=(1:100)/Fs; %抽样频率、时间轴

s1=0.5*sin(2*pi*t*50);s2=sin(2*pi*t*150);s3=sin(2*pi*t*400);

s=s1+s2+s3; subplot(221); %组成信号、指定图形位置

plot(t,s);title('三个正弦信号的叠加');

xlabel(' Time (seconds)' ); ylabel('Signal waveform' );

Step2:产生一个4阶IIR带通滤波器

%通带为100Hz 到200Hz,并得出其幅频响应

[b,a]=ellip(2,0.5,20,[100,200]*2/Fs);%得到滤波器的系数矩阵

[H,w]=freqz(b,a,512);%H为滤波器的系统函数

subplot(222); plot(w*Fs/(2*pi),abs(H));

title('IIR带通滤波器幅频响应' );

xlabel(' Frequency(Hz)' );ylabel(' Magnitude of frequency response' );

axis([0 500 0 1.5]);

Step3:对原始信号进行滤波

sf=filter(b,a,s);%用设计的滤波器过滤原始信号

subplot(223);plot(t,sf);

title(' 滤波后的信号波形' );

xlabel(' Time(seconds)' ); ylabel(' Time waveform' );

axis([0 0.1 -1 1]);

Step4:绘出信号滤波前、后的幅频图

S=fft(s,512); %求出原始信号的傅立叶变换

SF=fft(sf,512); %求出过滤后信号的傅立叶变换

w=(0:255)/256*(Fs/2);

subplot(224);

plot(w,abs([S(1:256)' ,SF(1:256)' ]));

title(' 滤波前、后的幅频图' );

set(gcf,'color' ,'white' );

xlabel(' Frequency(Hz)' );

ylabel(' Mag.of frequency response' ); grid;

legend({' 滤波前的幅频' ,' 滤波后的幅频' })

得到的图形如图1。

从图1中可以看出,滤波器的斜坡比较缓,这是由于我们给出的滤波器的阶数只有4阶,比较小。即使这样从信号的变化情况看,效果还是比较令人满意的,基本保持了150Hz正弦波,滤掉了工频信号与高频信号。

3.2 用FDATool设计滤波器

FDATool(Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱提供的专用的滤波器设计分析工具。FDATool可以设计几乎所有的常规滤波器,包括 FIR 和IIR 的各种设计方法。它操作简单,方便灵活。实施上述实例的具体操作如下。

打开 FDATool 工具,Filter Type 选择 Bandpass,Design Method 选择IIR、Ellitic,Filter Order 选择4,Frequency Specification选择Unit:Hz、Fs:1000Hz、Fpass1:100、Fpass1:200 Magnitude Specifications的选择Unit: dB、Astop:20、Apass: 0.5如图2所示。

可以在这里显示滤波器的各种图形和数字表达,更改各种参数已十分方便。利用图形方式是快速设计数字滤波器的主要方式。将其另存为k1.fda。

4 滤波器的仿真

MATLAB不仅设有多种途径的设计工具,而且有完备的仿真工具以验证设计的正确与否。仿真模块为Simulink提供。我们依然对以上的问题进行操作。在命令窗口内输入simulink或双击相应项启动仿真功能。新建一个模块文件,出现如图3界面,选择相应的模块并对参数作合适的设置(依据前面参数的内容),滤波器这里选择的是FDATool工具设计的滤波器,图形显示达到了设计的要求(见图4、图5)。

5 结论

讨论了MATLAB设计IIR滤波器的几种方法,并作了仿真验证,证明几种方法的原理是相通的。利用MATLAB设计滤波器,可以随时按照设计要求和滤波器特性调整参数,直观简便,极大地减轻了工作量,缩短了开发周期。为缩短电子器件的开发周期提供了一捷径。在设计仿真完成之后就可以进行真正的硬件设计并实施。

参考文献:

滤波器设计论文篇(4)

中图分类号:TN911.7 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)05-0087-02 一、引言

在数字信号处理中,对于信号变换和滤波算法研究通常采用MATLAB仿真,MATLAB具备卓越的数值计算能力,它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。当前数字滤波器设计在教学和实验中采用仿真设计,利用MATLAB函数进行各种滤波器设计,如何移植的方法和过程没有介绍,理论教学和实际应用严重脱节,本文利用FDAtool滤波器设计工具包,通过对滤波器的参数进行设置,生成实际应用中所需的参数,并进行编程移植,这样极大缩短了研究人员开发产品的周期,提高了设计效率。

二、数字滤波器原理

(一)FIR滤波器实现原理

FIR滤波器是指系统的单位冲击响应仅在有限的范围内有非零值的滤波器。FIR系统只有零点,因此这类系统不像IIR系统那样容易取得比较好的通带和阻带衰减特性。但FIR系统有自己突出的优点,就是易实现精确地线性相位,FDAtool适合的滤波器结构为直接型结构,如图1所示。

对应FDAtool工具箱对应FIR滤波器为卷积型结构,关键求出系统单位冲击响应h(n)。系统函数为:

式中,N为滤波器阶数,x(n)为输出信号,h(n)为滤波器系数,y(n)为滤波后信号。

基于微处理器平台编写程序用迭代法简单方便,可把公式(2)展开,初始输出书籍前N个点数据有一定误差,当输入数据点数大于滤波器阶数N时,输出滤波指标达到系统要求。

(二)IIR滤波器实现原理

IIR数字滤波器在设计上借助模拟滤波器巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等,对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时,根据指标先写出模拟滤波器的公式,然后通过一定的变换,将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。IIR数字滤波器的相位特性不好控制,对相位要求较高时,需加相位校准网络。

FDAtool工具箱对应IIR滤波器为二阶滤波器级联型结构,如图2所示。通过二阶滤波器级联可得任意阶滤波器设计。

IIR滤波器系统函数为:

IIR滤波器通过每级迭代方式所得。

二、FDAtool求解系数

(一)FIR滤波器实现方法

借助FDAtool工具箱,设置滤波器参数,点击菜单栏Analysis下Filter coefficienst可以看到所需系数单位样值响应h(n),代入差分方程公式(2)即可。通过Targets菜单选择导出数组h(n),设计灵活方便。

(二)IIR滤波器实现方法

IIR滤波器设计时的阶数不是由设计者指定的,而是根据设计者输入的各个滤波器参数(截止频率、通带滤纹、阻带衰减等),由软件设计出满足这些参数的最低滤波器阶数。在MATLAB下设计不同类型IIR滤波器均有与之对应的函数用于阶数的选择。列出分子和分母系数,对应分子系数为1、β1l、β2l,分母系数为1、α1l、α2l,代入公式(5)可求出一个二阶滤波器输出yl(n),前一个滤波器的输出作为下一个滤波器输入x(n),每一级代入不同系数,可得出整体滤波器输出。

三、结论

对于实际工程要求,用工具箱实现各型滤波器设计,把得到的不同系数代入硬件实现环境,脱离matlab常用实现函数。本例采用移植效果经STM32单片机进行采集、编写差分方程程序、DA输出,经示波器演示效果明显,同理论设计结果一致,并缩短了研究的时间,为进一步实现数字信号处理打下良好的基础。

参考文献:

[1]程佩青.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2]张明照.应用MATLAB实现信号分析和处理[M].北京:科技出版社,2005.

[3]陈桂明,张明照,戚红雨.应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像[M].北京:科学出版社,2000.

[4]袁小平,王艳芬,史良.基于Matlab的数字信号处理课程的实验教学[J].实验室研究与探索,2002,21(1):58-60.

[5]席在芳,欧青立,曾照福.IIR数字滤波器设计实验教学的探索与实践[J].实验技术与管理,2008,5(8):48-50.

[6]申艳,陈后金,薛健.基于Matlab加噪语音的FIR滤波器设计[J].电气电子教学,2011,23(2):41-44.

[7]席在芳,周少武,欧青立.基于Simulink的FIR数字滤波器设计实验教学探索与实践[J].实验技术与管理,2010,27(5):81-83.

[8]席在芳,欧青立,曾照福.IIR数字滤波器设计实验教学的探索与实践[J].实验技术与管理,2008,25(8):49-51.

[9]王易炜,张金鹏,王龙.基于MATLAB的数字滤波器设计及其在数据处理中的应用[J].航空兵器,2011,8(4):43-46.

滤波器设计论文篇(5)

关键词: 数字信号处理实验;MATLAB;DSP ;FIR数字滤波器

Key words: digital signal processing experiment;MATLAB;DSP;FIR digital filter

中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)26-0200-02

0 引言

《数字信号处理》课程是高校电子信息类专业的主干课程,其主要教学目的是使学生理解数字信号处理的基本理论和分析算法、掌握其基本算法和设计方法[1]。本科阶段数字信号处理课程主要涉及离散时间信号与系统基本概念、傅里叶变换算法、数字滤波器结构与设计等方面。由于本课概念较抽象,内容牵涉到较多数字公式,给学生在深刻理解课堂内容方面造成一定的障碍。很多高校设置课程时,均给予该课一定数量的实验课时,通过实验以帮助学生更好地理解数字信号处理理论知识。

目前,数字信号处理课程的实验方法主要是基于MATLAB软件为主,即在MATLAB中编程并运行观察有关信号处理效果[2][3]。运用MATLAB软件作为实验平台,确实能提供便捷的分析方法[4]。然而,基于MATLAB的数字信号处理课程实验过程中,大量调用了MATLAB已有的函数,学生只需修改这些函数的参数即可。这种模式不能有效训练学生将理论知识用于工程实践的能力。

针对以上问题,本文研究了在数字信号处理课程现有的MATLAB实验基础上,引入数字信号处理芯片DSP(Digital Signal Processor)及其软件,通过实验过程针对DSP芯片实现常用数字信号处理算法。

1 实验设计

数字信号处理课程共64课时,其中实验课时8课时。本文以系数对称有限冲激响应滤波器(Infinite Impulse Response,IIR)为例来分析在MATLAB实验的基础上,引入DSP实验的方法与实验过程,该实验课时为4课时,要求学生有基本的DSP编程知识。

1.1 实验内容 实验包括了MATLAB实验和DSP实验两个环节。其中,MATLAB实验部分的主要任务是产生实验原始数据、设计滤波器系数、调用滤波器函数验证滤波器滤波效果。DSP实验部分是用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器并观察滤波效果。

1.2 实验过程 实验过程可以分7步进行,分别为:①MATLAB设计数字滤波器,获得系数;②MATLAB给出仿真原始待滤波数据;③MATLAB调用数字滤波器函数验证滤波效果;④观察是否符合滤波要求,若不符合要求则重新设计数字滤波器;⑤如果符合要求则将系数、原始数据归一取整后送往CCS;⑥CCS使用获得的系数与数据,基于DSP编程调试;⑦观察DSP是否符合滤波要求,若不符合修改程序。

2 实验设计

2.1 MATLAB实验部分 MATLAB实验部分首要任务是根据实验要求设计所需数字滤波器。这个环节既可以调用MATLAB函数进行设计,也可以直接使用MATLAB提供的数字滤波器工具FDATOOL进行设计。无论哪种方法,都需要确定滤波器类型、阶数等参数,最后由MATLAB帮助获得滤波器系数。本文给出的实例为采样频率为12KHz,通带截止频率为1200Hz,阻带起始频率为2400 Hz,阻带衰减不小于-40dB的FIR直接型低通滤波器。

若以窗函数法进行设计,则要求学生在实验过程中,多次实验观察不同窗函数对滤波器滤波效果的影响。本文采用Bartlett窗为例进行设计,设计所得数字滤波器为23阶。

获得数字滤波器系数后,由MATLAB产生待滤波信号,待滤波指信号可以是白噪声,也可以是由程序指定的几个不同频率信号的叠加。本文所举实例为便于说明,设置了频率分别为800Hz、3KHz、4KHz的三种信号混合作为待滤波信号。

滤波前后的信号频谱如图1所示。从图1可以看出该滤波器确实能够实现低通滤波。此后,实验进入DSP实验环节,要求基于DSP编程,并将得到的实验结果与MATLAB实验结果作对比,以确保基于DSP实现了数字滤波器要求。

2.2 DSP实验部分 DSP实验为训练工程实现能力,必须要求学生考虑各方面的细节,包括存储器的安排。本实验中,安排了三个存储器区域,分别存放数字滤波器系数、等待滤波的原始数据以及滤波后的数据。其次,由于本实验的编程目标是TI公司C5000系列的定点芯片,必须考虑定标问题,本实验中建议学生定标为Q15。滤波器系数与待滤波的原始数据在导入DSP系统的存储器之前,要求先归一化后取整。

本文以TI公司的C54xx系列DSP芯片的汇编语言系统为例来编程实现FIR低通数字滤波器。

一个L-1阶的FIR数字滤波器的I/O方程可以表示为:y(n)=■b■x(n-i) (1)

MATLAB实验调用filter函数实现(1)式滤波器。学生虽然知道滤波器的各项参数含义,但缺乏如何将FIR差分方程用具体的编程语言实现的概念,为此,本实验要求学生使用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器。

程序的部分源代码如下所示:

LD *DATA_IN+, A ;取得待滤波数据

FIR: STL A, *FIR_DATA+% ;将待滤数据存入指定缓存区

RPTZ A, (ORDER-1)

;重复执行系数与数据相乘并累加实现滤波

MAC *FIR_DATA+0%, *FIR_COEF+0%, A ;

STH A, *DATA_OUT+ ;将滤波后数据存入指定缓存区

以上程序中,FIR_DATA是指向存放待滤数据的寄存器,FIR_COEF是指向存放滤波器系数的存储器单元的寄存器。DATA_IN、DATA_OUT是指向存放滤波前后数据的存储器单元的寄存器,MAC指令执行乘累加操作。

本文所举实例中DSP实验部分的运行结果分别如图2所示。

图2表明,基于DSP编程设计的数字滤波器,实现了低通滤波的效果。与MATLAB的运行结果对比,二者一致。

3 结语

在现有使用MATLAB开展数字信号处理实验的基础上,引入DSP技术,基于DSP设计数字滤波器,在实际操作过程中,数字滤波器的类型、各项参数、以及原始待滤信号如何产生,都在教师演示后,由学生举一反三进行修改。整个实验过程综合了数字信号处理基本理论知识、MATLAB函数、DSP基本原理及其编程等方面的知识,对学生的知识综合运行提供良好的平台。由于本文研究的实验方法兼顾了理论性与工程性,使学生体会了理论知识在工程实践中的运用过程,极大了调动了学生的积极性、提高了学生将理论用于实践的信心。

参考文献:

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].清华大学出版社,2007,2.

[2]袁小平.基于Matlab的数字信号处理课程的实验教学[J].实验室研究与探索,2002,2.

滤波器设计论文篇(6)

中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)14?0116?03

Design and simulation of ultra?high frequency bandpass filter

WANG Hao?chen, WANG Zhi?ming

(School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

Abstract: A method based on the theoretical calculation to optimize and simulate RF filter by ADS software is introduced. The optimization design, device simulation, moment method analysis and related content in the process of RF filter design is elaborated emphatically. The test results of RF filter show that the ripple within its passband is less than 3 dB, the reflection coefficient of in?band I/O ports is less than -20 dB and stopband attenuation is greater than 40 dB. This method has higher feasibility and effectiveness, compared with the traditional design method.

Keywords: ultra?high frequency; band?pass filter; ADS optimization; component simulation

射频滤波器在无线通信系统中至关重要,起到频带和信道选择的作用,并且能滤除谐波,抑制杂散。事实上,对于大多数现代滤波器的设计,射频/微波模拟软件是一个绝对必要的、评估滤波器性能的工具。美国安捷伦(Agilent)公司推出的大型EDA软件Advanced Design System?ADS就是其中的佼佼者,也是国内各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一[1?2]。本文在理论设计的基础上,利用ADS软件对耦合微带线带通滤波器进行优化设计,节省了设计时间,提高了设计精度和设计效率。

1 理论设计

1.1 设计指标

耦合微带线带通滤波器的设计指标如下所示:

(1)通带频率范围:902~928 MHz,中心频率为915 MHz;

(2)带内波纹小于3 dB;

(3)阻带损耗:850 MHz以下及950 MHz以上衰减大于40 dB;

(4)带内输入/输出端口反射系数小于-20 dB。

耦合微带线带通滤波器的设计采用FR?4作为基片材料,基片参数为:d=1.6 mm,Er=4.5,tan δ=0.02,铜导体的厚度t=0.035 mm。

1.2 理论计算

当频率达到或接近GHz时,滤波器通常由分布参数元件构成,分布参数不仅可以构成低通滤波器,而且可以构成带通和带阻滤波器。平行耦合微带传输线由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成,由于两个传输线之间电磁场的相互作用,在两个传输线之间会有功率耦合,这种传输线也因此称为耦合传输线。平行耦合微带线可以构成带通滤波器,这种滤波器是由波长耦合线段构成,是一种常用的分布参数带通滤波器[3]。当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时,由于传输线之间电磁场的相互作用,在传输线之间会有功率耦合,这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论,每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z0,相互耦合的部分长度为L,微带线的宽度为W,微带线之间的距离为S,偶模特性阻抗为Ze,奇模特性阻抗为Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性,但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联,级联后的网络可以具有良好的滤波特性[4]。滤波器设计首先要选择适当的低通滤波器原型,滤波器的阶数可以根据950 MHz频率点的衰减大于40 dB的要求确定。利用带通滤波器频率变换公式如下:

要在低通滤波器原型的相应归一化频率点Ω=2.64处获得40 dB的衰减,滤波器的阶数至少为N=4,则需要采用5节耦合微带线级连。 根据设计指标中需要的衰减和波纹,选定采用切比雪夫设计方法,则可知具有3 dB波纹的4阶切比雪夫滤波器的元件参数为g0=1,g1=3.438 9,g2=0.748 3,g3=4.347 1,g4=0.592 0,g5=5.809 5。

耦合微带线带通滤波器中传输线的奇模、偶模通过公共接地板产生耦合效应,并导致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗,其公式分别如下所示:

式中:

对于平行耦合微带线而言,利用ADS软件中的工具LineCalc,可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算,根据计算所得平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗,计算平行耦合微带线导体带的角度和间隔距离。由上述特性阻抗,可得微带线的实际尺寸如表1所示。

表1 微带线理论值 mm

2 ADS优化仿真

2.1 原理图设计

利用计算所得尺寸,建立如图1所示原理图,并进行仿真。

图1 理论值原理图

仿真结果如图2所示。

图2 理论值原理图仿真结果

由图2的仿真结果可以看出,850 MHz及950 MHz以上衰减大于60 dB,符合设计要求,但是902~928 MHz之间的衰减过大,不符合设计指标,需进一步优化。

2.2 优化仿真

在进行设计时,主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21(S12)是传输参数,滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21(S12)随频率变化曲线的形状上。S11(S22)参数是输入/输出端口的反射系数,由它可以换算出输入/输出端的电压驻波比。如果反射系数过大,就会导致反射损耗增大,并且影响系统的前后级匹配,使系统性能下降[5]。常用的优化方法有Random和Gradient,随机法通常用于大范围搜索,梯度法则用于局部收敛。因此,在具体的设计中,首先适当放宽各个参数的取值范围,采用随机法进行优化,而后参照之前随机法优化结果,适当缩小各个参数的取值范围,进而采用梯度法再次优化[6]。根据设计指标的要求,优化目标的设置如图3所示。优化后的原理图仿真结果如图4所示。由图3,图4可看出,优化后的尺寸可以满足设计指标的要求。之后可以进行版图仿真。

2.3 版图仿真

原理图的仿真实在完全理性的状态下进行的,而实际电路板的制作往往与理论有较大的差距,这就需要考虑干扰、耦合等因素的影响。因此需要在ADS中进一步对版图仿真。

用于生成版图的原理图如图5所示。

图3 优化目标的设置

图4 优化后原理图仿真结果

图5 生成版图原理图

由上述原理图生成的版图如图6所示。

图6 耦合微带线带通滤波器版图

版图仿真结果与原理图仿真结果有所不同,它与原理图仿真的方式不同,更为严格,因此很有可能仿真出的结果不符合要求,需返回到原理图进行再次优化之后,再进行版图的仿真,直到仿真结果可以达到设计指标的要求为止。版图的仿真结果如图7所示,由图可以看出,设计出的尺寸符合设计指标的要求。

图7 版图仿真结果

3 结 语

射频带通滤波器的传统设计方法大多是通过图表查询和曲线拟合来完成的,不但工作量大,而且设计精度不高。本文在理论计算的基础上,采用ADS软件对射频滤波器进行优化及仿真,进而依据设计结果加工制作射频滤波器器件,既减轻了设计者的劳动强度,缩短了设计周期,又提高了设计精度和设计效率。测试结果表明,此方法设计射频滤波器是可行的和有效的。

参考文献

[1] 邹德慧,赖万昌,戴振麟,等.一种基于ADS 优化的微带带通滤波器设计及实现[J].电测与仪表,2007(6):31?33.

[2] 杨金伟.基于Richards变换与Kuroda规则的射频滤波器设计[J].台州学院学报,2006(3):41?46.

[3] LUDWIG Reinhold,BRETCHKO Pavel.射频电路设计理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2012.

滤波器设计论文篇(7)

中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)12?0015?03

滤波器类型的选择可根据滤波器设计的带宽等指标和具体的应用场合来选择。相对带宽在20%以下的为窄带滤波器,应选用窄带滤波器的设计方法[1?5]来设计;相对带宽在40%以上的为宽带滤波器,应选用宽带滤波器的设计方法来设计;而介于两者之间的为中等带宽滤波器。由上面的指标可以看出本滤波器是窄带带通滤波器[6]。

采用巴特沃斯滤波器[7]来设计可以使通带内具有最大平坦的幅频响应;而切比雪夫滤波器[8]的好处是:带外抑制好,但是带内有一定的波动;本文设计的滤波器要求带外近端抑制良好(可以用切比雪夫滤波器或椭圆函数滤波器来实现,但是从后面的分析看要使用LC滤波器,而用LC滤波器的话,使用切比雪夫形式电路元件的值过于小,很难实现,这个可以用软件仿真来说明),以此可以看出,用椭圆函数滤波器[9?12]更适合。

1 关于滤波器阶数N的选择

2 关于椭圆函数LC带通滤波器的仿真及设计

对电路各元件值先进行简单的假定,通过运用ADS进行仿真来审查,并进行优化。

从此电路仿真图可以看出中心频率准确的落在450 MHz上,带内插损比较小,而且带外抑制也比较明显,而且线圈的值相对并不是很小,实际上可以实现,基本上符合制作要求,予以采用。到此本节设计仿真结束,下面进行此电路的制板。

3 关于椭圆函数LC带通滤波器的电路的制板

4 制作此椭圆函数LC带通滤波器及其调试

首先是线圈的绕制。根据以上的结论,线圈的绕制是关键的过程。最大的是250.2 nH,最小的是19.27 nH。本电感采用漆包线进行绕制(所以在将线圈焊制到电路板上之前,将线圈焊脚外部的漆用小刀刮去),绕制250.2 nH的线圈,根据以往对电感线圈的了解和对此线圈的假设,先绕制7圈,进行测试和调节。本设计的电容是采用陶瓷贴片电容,由于该电容的Q值比较低,因此本滤波器的带内插损并不能如同仿真那样好,只能调到-4 dB左右,而且本滤波器的驻波系数会比较大。

将另一个绕制的250.2 nH的线圈和一个0.5 pF的电容,按照之前设计的电路进行焊制并用网络分析仪调试。虽然此次的线圈值和第一个值是一样的,但是由于贴片电容制作上的误差以及线圈绕制的误差等等因素,使得此线圈并不是完全和第一个匝数一样,所以还要进行多次测量调试和修改才能达到所要求的值。

最后一步是焊制,此过程与23.88 nH线圈的绕制基本相同。接下来就是对整个滤波器进行调整,以达到最好的制作指标。

5 结 语

要设计一个滤波器,首先要分析滤波器的技术指标,选择合适的滤波器形式,确定滤波器的级数,分析滤波器的带外特性以及通带特性,估算滤波器中心衰减和带外抑制的大小,对滤波器进行合理的设计与计算,最后要对滤波器进行仿真优化,直至达到满意的技术指标。接着就可以制板,并加工调试。

在调试的过程中,容易忽略电路所产生的寄生电容和寄生电感对整个电路的影响。在对波形进行调试的时候,只对线圈进行了调整,忽略了电容的影响。本身很小的电容在寄生电容的叠加下,可能会比较大的改变开始仿真时候的值。在测试的时候,应该对几个比较小的电容进行适当的调整并测试,这样才能比较好的满足所要求的性能指标。

参考文献

[1] 甘本祓,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京:科学出版社,1973.

[2] [美]阿瑟·B·威廉斯.电子滤波器设计手册[M].喻春轩,译.北京:电子工业出版社,1986.

[3] 孟泽.移动通信用LC滤波器新动向[J].世界电子元器件,1998(6):32?34.

[4] 黄席椿,高顺泉.滤波器中和设计原理[M].北京:人民邮电出版社,1978.

[5] 熊莹霞.可调腔体带通滤波器的研究与设计[M].上海:华东师范大学出版社,2005.

[6] 吴万春,梁昌洪.微波网络及其应用[M].北京:国防工业出版社,1980.

[7] MIRSHEKAR?SYAHKAL D, LIM Y C, MOSTAFAVI R F. Resonant frequency of slotted cylindrical ring resonator [C]// Proc. of 30th Eur. Microwave Conf. Paris, France: UMC, 2000, 2: 197?200.

[8] MOSTAFAVI R F, MIRSHEKAR?SYAHKAL D, LIM Y C. Small filters based on slotted cylindrical ring resonators [C]// IEEE MTT?S Int. Microw. Symp. Dig. Phoenix, USA: IEEE, 2001: 1795?1798.

[9] 张亚文.微波椭圆函数滤波器设计[D].成都:电子科技大学,2005.

滤波器设计论文篇(8)

中图分类号:TN622 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2014)05-0086-02

在现代通信和电子对抗系统中,由于大功率发射机不可避免地会寄生一定功率的谐波信号,大功率滤波器用于接在发射机的输出端对谐波信号进行抑制,从而改善各分系统之间的电磁兼容性,提高系统的整体性能。因为大功率滤波器对系统性能的影响起着举足轻重的作用,所以研制一种损耗低、抑制性能好的大功率滤波器相当有必要。

本文所设计滤波器带宽225MHz-500MHz,带内损耗小于 0.2dB,回波损耗优于20dB,160MHz-710MHz之外抑制优于20dB,125MHz-880MHz之外优于40dB。当然要想提高抑制增加滤波器节数是有效的方法,但是节数越多体积越大,本文所选为7节滤波器。

1 带通滤波器的仿真设计

滤波器设计的理论知识已众所周知,本文不再过多讨论。利用Ansoft Designer的理论模型设计225MHz-500MHz带通滤波器。带通滤波器的原理图如图1。

在电路设计中插入器件画出电路图,并引入变量对电感和电容值进行调谐,最后仿真结果如图2。

得出仿真的电感和电容值后,按公式(1)、(2)计算出实际线圈和陶瓷基板的大小。

其中是平板表面积,代表平板间距,是真空中电导率值为8.85418×F/m,为相对真空中的介电常数;当

2 板材温升的简单计算

温升的计算方法有热阻法、热容法、散热面积法等多种方法,本文采用热阻法简单计算一下基板的温升。

温升(℃),热阻(℃/),功耗(),为平板的厚度(),为平板垂直于热流方向的截面积(),为平板材料的热导率()。

滤波器的承受功率是2000瓦,损耗小于0.2dB,AL2O3陶瓷的热传导率是29.3,聚四氟乙烯的热传导率是0.27。假设以热损耗是100瓦,按公式(3)、(4)进行计算,AL2O3陶瓷基板的温升在5℃左右,而聚四氟乙烯板的温升在500℃左右。当然,散热方式包括传导和辐射,即使50%的热量通过辐射的方式散出去,聚四氟乙烯板的温升也有250℃左右,对于此滤波器来说聚四氟乙烯板是绝对不适用的。本文只是粗略估算一下板材的温升,计算并不是很准确。

3 带通滤波器的测试

调试完成后的带通滤波器实物图如图3。

带通滤波器用矢量网络分析仪测试通带、抑制、回波的小信号,结果如图4。

此滤波器不仅进行了常温功率试验,在高低温-10℃和+55℃时承受2000瓦功率工作状态依然稳定。

4 设计中的一些细节

带通滤波器在设计时选用了理想模型,电感和电容按理论值所制作出的滤波器频率会稍有偏差,需要对电感和电容做细微的调整。

绕制电感线圈时,铜线如果选用太细散热效果不好,选用太粗滤波器的体积较大,在设计中要选用适当粗细的铜线。

电容在选择时,通路电容按就近档容值选用ATC10E型高耐压值陶瓷电容,对地电容选用AL2O3陶瓷基板电容,以利于滤波器散热。

陶瓷基板在焊接到金属底板上时,如果两种材质的热膨胀系数相差较大,最好选用中间膨胀系数材质的金属做垫板,以提高环境适应性。

5 结语

本文所设计的LC大功率滤波器在损耗、回波、抑制、功率容量等各方面的指标都比较好,大幅提高了LC滤波器的功率容量。而且本设计方案适用于所有使用LC滤波器的频段,能够很好的满足大功率发射机的工程使用需求。

参考文献

[1]Joseph F.White.射频与微波工程实践导论[M].北京:电子工业出版社,2009.

滤波器设计论文篇(9)

数字滤波器常通过一定的运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分来实现滤波,在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为FIR(有限长冲激响应)和IIR(无限长冲激响应)。然而,在传统数字滤波器的设计过程中需要大量繁琐的数值计算,如果手工计算则费时费力。目前,数字滤波器的设计常借助计算机,利用Matlab软件来实现。本文就GUI这一图形界面编写功能,设计并构建了人机交互式的数字滤波器。

1.数字滤波器的设计思路及结构

数字滤波器的设计包括IIR滤波器和FIR滤波器,IIR滤波器包括巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(ChebyshevⅠ)滤波器、切比雪夫Ⅱ(ChebyshevⅡ)滤波器、椭圆(Ellipse)滤波器。FIR滤波器包括Boxar、Bartlett、Blackman、Hanning、Hamming、Kaiser滤波器。

IIR的设计思想:利用已有的模拟滤波器设计理论,首先根据设计指标设计一个合适的模拟滤波器,再通过脉冲响应不变法或双线性变换法,完成从模拟到数字的变换。设计步骤如下:

(1)根据设计指标,设计最小阶数N和频率参数Wn。可供选用的阶数选择函数有:buttord,cheblord,cheb2ord,ellipord等。

(2)运用最小阶数N设计模拟低通滤波器原型,用到的函数有:butter,cheby1,cheby2,ellip和bessel。如[B,A]=butter(N,Wn,’type’)设计type型巴特沃斯。N为滤波器阶数,Wc为截止频率,type决定滤波器类型,type=high,设计高通IIR滤波器,type=stop, 设计带阻IIR滤波器。

图1 滤波器系统结构设计图

(3)用freqz函数验证设计结果。

FIR的设计思想:在满足设计指标的情况下尽量减少滤波器的阶数,实质上是确定能满足所有要求的转移序列或脉冲响应的常数问题。设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。这里我们利用窗函数法设计FIR滤波器,设计步骤如下:

(1)根据设计指标,选择函数buttord确定最小阶数N和频率参数Wn。

(2)确定窗口值。可选Hanning、Hamming、Blackman等窗,每种窗都由Matlab相应函数生成。

(3)确定传递函数的分母系数。函数firl的调用格式为:B=firl(n,Wn,’ftype’,Windows)同时选择在此函数中要设计的滤波器的类型。其中,n为滤波器的阶数,Wc为截止频率,ftype决定滤波器类型,ftype=high,设计高通FIR滤波器,ftype=stop,设计带阻FIR滤波器。

(4)用freqz函数验证设计结果。

图2 Butterworth低通滤波器

2.运行结果显示

在图形界面下,选择滤波类型、滤波方式、滤波种类,按下“PLOT ON”绘制按钮,出现如图2所示Butterworth低通滤波器。本例中,通带截止频率fp=80Hz;阻带截止频率fc=120Hz;抽样频率Fs=1000Hz;Ap=1dB;As=30dB。

实现了设计要求的图形化及对应数据可视化,便于理解及掌握。

3.结束语

在设计数字滤波器时,人们很难直接从一大堆原始离散数据中感受到它们的含义,数据图形恰好弥补了这一缺陷,使人们能直接感受到数据的许多内在本质,有助于加深理解。MATLAB有两种常用的工作方式:交互式的指令操作方式及M文件的编程工作方式,这两种方式都可以实现数据的可视化。

本文设计的这款数字滤波器基于GUI,在自动生成的M文件框架下完成编程。其优点在于:它不仅具有良好的图形显示,更重要的是整个设计参数和滤波器类型都可以通过图形界面方便的改变,

参考文献

滤波器设计论文篇(10)

中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)10?0024?03

0 引 言

带通滤波器是一种仅允许特定频率通过,同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性,故而被广泛地应用现在电子设计中。但是,带通滤波器的种类繁多,各个类型的设计差异也很大,这就导致了在传统滤波器的设计方法中不可避免地要进行大量的理论计算与分析,不但损失了宝贵的时间,同时也提升了电路的设计门槛[1]。为了解决上述弊端,本文介绍了一种使用FilterPro和Proteus相结合的有源带通滤波器的设计方案,随着EDA技术的不断发展,这种方法的优势也将越来越明显。

1 带通滤波器设计工具简介

1.1 滤波器设计软件FilterPro

FilterPro是美国TI(德州仪器)公司推出的一款优秀的滤波器设计软件,它支持低通、高通、带通以及全通滤波器的设计,同时也支持常见的贝塞尔、巴特沃斯以及切比雪夫响应类型。设计人员只需要根据滤波器的设计向导按部就班地往下进行,就可以得到符合要求的滤波器电路,同时还可以得到与之相对应的响应曲线。但是有一点需要注意:这款软件的计算结果是一个连续域的计算结果,只有当使用的运算放大器是绝对理想的运放时才能得到与所给响应曲线完全吻合的响应结果,但这并不影响我们使用它进行滤波器的设计。因此只需要使用其他基于Spice模型的EDA仿真软件对电路进行仿真分析和调整,这就可以设计出性能稳定的滤波器电路[2]。

1.2 电路仿真软件Proteus

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的一款功能强大的EDA软件,它自身集成了丰富的元件库,更具有其他软件无法与之相媲美的单片机仿真功能,使得它被广大单片机设计人员所熟知。其实Proteus在模拟电子的设计与仿真中做的同样出色,只不过对它在这方面的介绍较少。

4 结 语

本文介绍的这种带通滤波器的设计方法具有很强的通用性。实践表明,该方法不但可以避免一些复杂的理论计算和分析,同时通过仿真还可以直观的检验电路的输入和输出,进而使得滤波器的性能更加的稳定。另外,使用EDA软件进行电路设计和仿真测试也可以有效地降低设计难度和设计成本,这种设计方法也为滤波器的设计提供了一种新的设计思路。

参考文献

[1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2010.

(下转第30页)

[2] Texas Instruments.FilterPro用户指南[EB/OL].[2011?07?09].http://.cn/tool/cn/filterpro.

[3] 吴小花.基于Proteus的电子电路设计与实现[J].现代电子技术,2011,34(15):174?176.

上一篇: 经济专业技术论文 下一篇: 金融毕业生论文
相关精选