滤波电路的设计与仿真范文

关键词：自适应滤波器；多功能滤波器；F/V；频率自跟踪

中图分类号：TN713文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）18-0224-03

AdaptiveMulti-functionFilterSimulationImplementation

RANXing-ping，MAXi-ping，GAOYang

（SchoolofComputerEngineering，ChangJiUniversity，Changji831100，China）

Abstract：Itwaspresentadaptivefunctionsofsingleinputandthreeoutputfilter，eachfilterhasthreecurrentop-amp，twoanalogmultiplier，afrequencyvoltage（F/V）conversionchipandsomecapacitanceresistors.Byselectingdifferentoutputs，below-pass，high-passandband-passthreebasicfilterfunction.UsingF/Vcircuitandanalogmultipliertoachieveautomaticadaptationoffiltercutofffrequency.Circuitstructureissimple，adjustablegainAindependent，passivesensitivityislow.UseofORCADsimulationtest，whentheinputsignalfrequencyin200KHZ～1MHzfrequencyrange，thedesignoffiltercircuitcanrealizedifferentfunctionsatthesametimetrackingfilter，thesimulationresultswereingoodagreementwiththetheoreticalvalue.

Keywords：adaptivefilter；multi-functionfilter；F/V；Frequencyautomatictracking

自适应滤波技术是现代信号处理中的一个重要分支技术。目前实现自适应滤波的方法有两种，一种是利用各种滤波算法结合DSP或FPGA平台实现的数字滤波[1-4]，这种方法算法的复杂度和控制器的处理速度直接影响信号处理的实时性，其适合于信号频率低而且少变的情况。另一种是直接用硬件电路搭建的模拟滤波器，其中较为常见的有两种方法，第一种是利用电流模器件和电阻电容网络组成的模拟滤波电路[5，6]。这种方法利用接地电容和接地电阻来改变偏置电流的大小进而改变截止频率和品质因数。用这种方法实现的滤波器不能自动连续调节截止频率。第二种是利用F/V与压控滤波单元设计的模拟滤波器[7]。这种方法虽然可以实现截止频率自动跟踪滤波，但目前所设计的滤波器的类型较单一，频带范围较窄。

本文利用高性能的F/V芯片结合模拟乘法器及电流运放设计的多功能模拟滤波器可以同时实现低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器的特性，并且可以实现200k～1M范围内的自适应滤波。

1工作原理

图1为自适应多功能滤波器的原理框图。它主要由信号预处理电路、F/V电路和模拟乘法器组成的压控多功能滤波电路组成。首先输入信号分两路，一路经放大电路、限幅电路和整形比较电路组成的信号预处理电路对输入信号进行预处理，然后将处理后的信号作为F/V电路的输入，F/V电路的输出作为压控多功能滤波电路的一路输入信号，利用该电压输入信号控制滤波器的截止频率；另一路原始信号作为多功能滤波器的另一路输入信号，进而实现截止频率自动适应输入信号的频率的变化。

1.1信号预处理电路

信号预处理电路的原理框图如下图2所示，主要由放大电路、限幅电路和整形电路组成。放大电路由运算放大器两级级联实现，主要用于对小信号的放大。限幅电路采用二极管限幅电路组成，主要是防止经过放大电路后的信号对后续电路元件造成损坏。整形电路主要由电压比较器实现，主要是将输入信号变换为F/V电路所需要的是脉冲信号。

1.2F/V电路

F/V电路是将输入的频率信号转换为与之成比例的电压信号输出的电路。F/V电路由专用的F/V芯片AD650与电阻电容网络组成[8]，电路如图3所示。AD650的输出电压与输入频率的关系为：

由式（1）可知，选取合适的电阻、电容值便可使输出电压与输入频率线性变化。

2自适应多功能滤波器的设计

设计的二阶自适应多功能滤波器能同时实现低通、高通和带通的滤波功能。电路采用的是双二阶环滤波电路，这种形式的电路具有对有源器件要求低，灵敏度低和易调整的特点[9]。具体电路如图4所示，U1（AD8001）、R1、R2、R9、R10组成同相求和电路；U3（AD8001）、R5、C1组成积分电路；U4（AD8001）、R8、C2组成微分电路；U2（AD835）、U4（AD835）实现基本乘法运算，间接实现压控功能。该电路的特点是：一个输入，三个输出；各滤波电路的截止频率和品质因数Q是相等的；但各滤波电路的增益不同。

由（5）式可得各滤波器的截止频率与控制电压Vf成正比。由（6）～（9）式可得滤波器的品质因数Q和增益与Vf无关，可单独调节。

各元件参数的灵敏度为：

由上面的各元件的参数灵敏度可见，元件值的改变对滤波器的性能影响很小。当取R5=R8=R，R2=R9，C1=C2=C时，则式（5）变为：

由（11）式可得只要合理调整电容、电阻值就可以实现滤波器截止频率的自动跟踪。

3仿真结果

因为AD835最大输入电压为1.0v，选择的电路参数为C1=C2=1nF，R=159k，R2=R9=R10=400，R1=1k时fLP=fBP=fHP=fi，增益分别为ALP=0.57，ABP=0.4，AHP=0.57。当输入信号的频率fi取1.0MHz时用ORCAD仿真的结果如图5。

从仿真结果分析可得，当输入信号的幅度为1v，频率在200kHz-1MHz的范围内变化时，经过滤波电路后信号的幅度变为vLP=vHP=0.57v，vBP=0.4v，且能够同时实现低通、高通和带通的滤波功能，幅频特性在通带内较平坦，在阻带内衰减的较好，符合设计要求。

4结论

提出了一种自适应多功能滤波器的电路结构和设计方法，待处理信号经过预处理电路后输入F/V电路将频率信号变换为与之成正比例的电压信号，然后将该电压信号输入多功能压控滤波电路的电压输入端从而间接实现滤波器截止频率的自动适应。从仿真结果可以看出设计的滤波器能够实现高通、低通和带通的自动跟踪滤波功能，验证了该方法的正确性。由于电路中选用的模拟乘法器和电流运放都是高频性能较好的器件，可以利用分频及放大原理将高频信号转换为低频信号从而实现滤波器频率的扩展。

参考文献：

[1]朱洪涛，严国萍.基于自适应滤波的信号处理系统建模及其系统实现[J].仪器仪表学报，2003，24（4）：242-249.

[2]杨东，王建业，蔡飞.基于DSP开发工具的自适应滤波器[J].探测与控制学报，2010，32（3）：79-82.

[3]马胜前，杨阳，刘娟芳.全数字锁相环实现的自适应低通滤波电路[J].计算机工程与应用2014，50（3）：181-184.

[4]王怀宝，沈虹.基于改进自适应滤波器的电网同步技术[J].高电压技术，2014，40（11）：3636-3641.

[5]李园海，高海生.基于CCCII电流模式二阶有源多功能滤波器设计[J].华东交通大学学报，2015，32（1）：116-120.

[6]曾菊员.基于MOCCII的n阶多功能滤波器的综合设计[J].南昌大学学报，2013，35（2）：202-204.

[7]马胜前，冉兴萍.自适应低通滤波器的设计[J].压电与声光，2013，35（2）：245-248.

滤波电路的设计与仿真范文篇2

关键词：低通滤波器；EDA；Proteus；仿真分析

中图分类号：TN911⁃34文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2014）08⁃0022⁃03

Designandsimulationofbiquadraticlow⁃passedfilterbasedonProteus

XIAYun⁃sheng，ZHANGHe⁃yuan

（DepartmentofXiangyangOilTransportation，SINOPECPipelineTransportationCompany，Xiangyang441002，China）

Abstract：Thedesignschemeofbiquadraticlow⁃passedfilterisintroducedcompletely，especiallythehighlightsandthemattersneedingattentioninthefilterdesign.Thedesignmethodandoptimizationmethodofthelow⁃passedfilteraregiveninthispaperbyusingthenormalizationalgorithmandsimulationwithEDAsoftware.Themethodstosimulateandtestthelow⁃passedfilterbyProteusareelaboratedincombinationwithactualapplicationcase.Thetestingresultshowsthatthebiquadraticlow⁃passedfilterdesignedwiththemethodworkssteady，andhastheadvantagesoflessdifficultyandlowcost.Thismethodisalsoprovidesanewideaforlow⁃passedfilterdesign.

Keywords：low⁃passedfilter；EDA；Proteus；simulationanalysis

滤波器是信号处理的重要单元，在现代电子技术中得到了广泛的应用。常见的有源低通滤波器有无限增益多路反馈式（MultipleFeed⁃backCircuits，MFB）、压控电压源式（VoltageContralledVoltageSource，VCVS）和双二次型低通滤波器。其中双二次型低通滤波器是一种高级滤波器，它具有非常好的调整性和稳定性，被设计人员广泛应用在各种电子电路的设计中。在传统滤波器的设计方法中，不仅需要理论计算还必须搭建硬件电路进行实际调整，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归一化算法和Proteus软件相结合的双二次型低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。

1Proteus软件介绍

Proteus软件是由英国Labcenter公司出版的嵌入式系统设计与仿真平台[2]。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。虽然目前国内推广刚起步，但已受到电子电路设计工作者的青睐。由于Proteus的仿真模型均根据相应器件的技术参数建立，因而其仿真结果极其接近实际，使其已经超越了一般意义的“虚拟仿真”，成为具有现实意义的教学、研发平台[3⁃4]。

Proteus中独特的图表分析法可以实现多种类型的仿真。本文所设计的这款双二次型低通滤波器就是在Proteus中使用ACSWEEPANALYSIS图表功能进行分析的。

2双二次型低通滤波器设计原理

双二次型低通滤波器属于有源二阶低通滤波器的一种，可以从基本的二阶低通滤波器开始讨论。截止频率为[ω0]的二阶低通滤波器的典型全极点传递函数如式（1）所示[5⁃6]:

[VOUTVIN=KCω02S2+Bω0S+Cω02]（1）

式中：常数B和C是归一化系数；K是增益。

对于双二次型低通滤波器，如图1所示，若要满足式（1），须存在以下关系：

[Cω02=1R3R4C12Bω0=1R2C1K=R3R1]（2）

式中[C1,R4]可以是任意选定，若[C1]选为近似于[10f0μF]，[R4]比较合适的数值，可得式（3）：

[R4=1ω0C1]（3）

进而得到：

[R1=R4KCR2=R4BR3=R4C]（4）

图1双二次型低通滤波器

双二次型低通滤波器与MFB和VCVS滤波器相比，它需要更多的元件，但其应用却很广泛，这是因为它具有非常好的调整型和稳定性，这些在几节电路级联时是非常重要的。从式（3），式（4）可以看出，改变[R4]可以调整[f0]，调整[R1]可以改变K以及改变[R2]可以调整带通特性。

3滤波器的优化方法

在传递函数为式（1）的二阶低通滤波器当中，假定[B2C

[Am]和[fm]的关系如式（5）、式（6）所示。

[Am=2CKB4C-B2]（5）

[fm=f0C-B22]（6）

依据极偶品质因数[QP=CB]，若[QP>12=][0.707]，则出现幅度峰值（见图2（a））；若[QP≤12]，则没有幅度峰（见图2（b））。上述两种情况中，[f0]为滤波器的截止频率，其对应的幅度如式（7）所示：

[A0=KCB(C-1)2+B2]（7）

图2低通幅度响应曲线

以上分析可知，适当地选择B，C值，满足[QP>12]，幅频响应就会出现峰值，在截止频率[f0]附近，改善了增益衰减速率，提高了滤波器的整体性能。

4双二次型滤波器设计案例

双二次型低通滤波器设计时，对于给定频率[f0]（单位：Hz），正相增益K，并决定采用巴特沃斯或切比雪夫型，可按下列步骤进行：

假设设计的滤波器为[f0]=22Hz，K=0.1375，巴特沃斯型。

（1）从表1中查出归一化系数B和C分别为1.414214，1.0。

表1巴特沃斯或切比雪夫型滤波器设计数据表（N=2）

（2）选定[C1]的标称值（最好接近于[10f0]）为0.22[μF]，由式（3）可计算[R4]。

[R4=1ω0C1=12×π×22×0.22×10-6=32.88kΩ]

对应标称电阻值，可选取[R4]为33kΩ。则由式（4）可计算[R1~R3]，如下：

[R1=R4KC=330.1375×1.0=240kΩ]

[R2=R4B=331.414214=23.33kΩ]，不妨取[23.2kΩ]。[R3=R4C=33kΩ]

根据[R2]的选取数值反算B值为1.422414，计算品质因数[QP=CB=0.7030

5滤波器的仿真与测试

在Proteus工作区内建立仿真电路如图3所示[7]。其中运放采用LM324，电源为±12V，滤波器的输入端为交流信号[VIN]，OUT为滤波器的输出端，然后使用ACSWEEPANALYSIS来分析滤波器的幅频响应特性曲线，具体方法如下：在Proteus工作区空白处点击鼠标右键，依次选择“放置图表ACSWEEP”，此时鼠标会变成铅笔状，按住鼠标左键，拖动鼠标即可画出一张任意大小的ACSWEEPANALYSIS分析表，然后将OUT探针拖到分析表的左上角，此时会看到左上角显示OUT和GAIN（dB），添加好的图标如图4所示。

图3双二次型滤波器仿真电路

图4ACSWEEPANALYSIS分析表

鼠标双击分析表，屏幕弹出参考信号源设置界面，如图5所示。其中需要解释的是扫描变量X，变量从0~10递增，共计10步。同时在仿真电路图中[R2]的电阻值被设置成“23.2K*X”，[R2]的实际电阻值为23.2kΩ与变量X的乘积，通过对[R2]电阻值的阶梯变化，仿真时就可以方便地选择满足[QP>12]的[R2]电阻值。

鼠标定位到分析图表上，点击鼠标右键，选择“仿真图表”，即可得到X=1，2，…，10的幅频响应曲线，这里仅讨论X=1，2时的两条典型曲线，如图6，图7所示。

图5设置参考信号源

图6X=1的幅频响应曲线

图7X=2的幅频响应曲线

图6中最下端的曲线即为X=1，[R2]为23.2kΩ时的曲线，从图中可知滤波器输入端频率由0Hz增加到设计频率22Hz时，增益由-17.5dB下降到-20.5dB，完全符合设计要求，但不具有增益峰值。考虑到滤波器的优化，即滤波器增益存在极值，提高滤波器在整个通频带内的稳定性，可以适当增大[R2]用以提高品质因数[QP]。图7中，带有“x”号曲线为X=2时的幅频曲线，此时[R2]为46.4kΩ。有图可知在0~22Hz的通频带内，增益不但没有下降，而且略微上升，这种趋势随着[R2]电阻值的增大而越加明显，可以计算此时的品质因数[QP>0.707]，滤波器增益存在峰值，达到了滤波器优化的目的。

6结语

本文介绍双二次型低通滤波器设计方案具有很强的通用性。实践表明，该方案在没有硬件电路的条件下，通过归一化算法和EDA软件的结合，使滤波器的设计更为简单灵活，通过对滤波器元件参数的优化设计和仿真使得设计的滤波器性能更加稳定。这种运用归一化算法与EDA软件结合的方式为滤波器的设计提供了一种新的设计思路。

参考文献

[1]许光，周斌，李坤，等.基于FilterPro和Proteus的带通滤波器设计[J].现代电子技术，2013，36（10）：24⁃26.

[2]曹建树，夏云生，曾林春.51单片机实用教程[M].北京：中国石化出版社，2008.

[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.

[4]周灵彬，张靖武.Proteus的单片机教学与应用仿真[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（1）：76⁃79.

[5]约翰逊JR.有源滤波器精确设计手册[M].北京：电子工业出版社，1984.

滤波电路的设计与仿真范文

关键词：微带滤波器射频通信频带响应

中图分类号：TN713文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）11（c）-0084-01

1设计原理

系统需求滤波器的指标如下所示。

中心频率：5.35GHz。

频带宽度：5.2～5.5GHz。

通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。

阻带增益：在4.8GHz以上小于-40dB，也主要由滤波器的S21参数确定。

通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。

滤波器设计模型有巴特沃斯原型滤波器、切比雪夫原型滤波器、椭圆函数原型滤波器三种形式。其中巴特沃斯原型滤波器，具备平坦的过渡带与单调下降的幅频响应曲线，适合系统的需求。建立标准微带带通滤波电路模型如图1所示。

根据系统设计指标，查表求得滤波器阶数为5阶。

2设计方法与工艺

微带滤波器设计是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。在滤波器原型基础上，借助频率变换完成。频率变换函数有两种，如式1、式2所示。

微带线的结构有平行耦合微带线、阶跃阻抗微带线、梳状微带线等等，根据需要，滤波器设计采用平行耦合结构。以滤波器的S参数作为优化目标。S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21（S12）随频率变化的曲线上。S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

为减小电路板的尺寸，力求微带线面积最小化，采用介电常数4.6，板厚0.5mm的电路板进行加工。

3仿真结果与分析

利用ADS对微带滤波器的幅频响应、S参数进行仿真（端口隔离度、反射系数），如图2、图3所示。

其中S21端口隔离度，表示端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数；S11是端口2匹配时，端口1的反射系数。由仿真结果可以看出滤波器频率响应曲线具有良好的对称性，

通频带平坦，在4.8GHz处的衰减，达到了系统的设计指标要求。

4结论

本文设计了一种微带带通滤波器，给出了微带带通滤波器的设计原理与设计方法，通过ADS仿真验证了滤波器的性能指标，能够满足系统的设计需要。

参考文献

[1]J·F·怀特[著].微波半导体控制电路[M].王晦光，黎安尧[译].科学出版社，2011：46-48.

[2]ReinholdLudwig.射频电路设计——理论与应用[J].电子工业出版社，2005：103-105.