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有源滤波

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面,但因受运算放大器频带限制,这类滤波器主要用于低频范围。

根据对频率范围的选择不同,可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器,它们的幅频特性如图2-1所示。

具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的,只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说,滤波器的幅频特性越好,其相频特性越差,反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快,但RC网络的节数越多,元件参数计算越繁琐,电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有源滤波器级联实现。

低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

电路性能参数

二阶低通滤波器的通带增益

截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

与低通滤波器相反,高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。

只要将图2-2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器,如图2-3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反,其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系,仿照LPH分析方法,不难求得HPF的幅频特性。

电路性能参数AuP、fO、Q各量的函义同二阶低通滤波器。

1.熟悉ispPAC80可编程模拟器件的结构、功能。

2.掌握可编程模拟器件设计有源滤波器的方法。

3.学会使用PAC-Designer软件进行有源滤波器的设计。

4.学会有源滤波器的幅频、相频特性曲线的测试方法。

(一)设计原理

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制(或衰减)无用频率信号的电子电路或装置。在工程上,常用它来进行信号处理,数据传送或抑制干扰等。以往滤波器主要采用无源元件R、L、和C组成,目前一般用集成运放、R、C组成,常称为有源滤波器。

在一个实际的电子系统中,有时输入信号往往受干扰等原因而含有一些不必要的成分,应当把它衰减到足够小的程度。而在另一些场合,有时我们需要的信号和别的信号混在一起,应当 设法把我们需要的信号挑出来。要解决这些问题都需要采用有源滤波器。

用在系统可编程模拟器件实现有源滤波器的设计非常方便。通常用三个运算放大器就可以实现双二阶型函数的电路。而双二阶型函数能实现所有的滤波器函数,如低通、高通、带通、带阻。双二阶函数的表达式如3-17-1所示,式中m=1或0,n=1或0。

3-17-1

这种电路的灵敏度相当低,电路容易调整。另一个显著特点是只需增加少量的元件就能实现各种滤波函数。3.16节可知ispPAC10、ispPAC20器件结构与功能,实现这样的电路很容易。首先讨论低通滤波器的转移函数如3-17-2式。

3-17-2

3-17-3

3-17-4

3-17-4式可写成3-17-5式形式

b=k1k2 3-17-5

3-17-1为双二阶有源滤波器方框图。

不难看出方框图中的函数可以分别用反相器电路、积分电路、有损积分电路来实现。把各个运算放大器电路代入3-17-1的方框图即可得到3-17-2电路。

然而现在已不再需要电阻、电容、运放搭电路了,调试电路了。利用在系统可编程器件可以很方便的实现此电路。ispPAC10能够实现方框图中的每一个功能块。PAC块可以对两个信号进行求和或求差,K为可编程增益,电路中把K11、K12、K22设置成+1,把K12设置成-1。因此三运放的双二阶型函数的电路用两PAC块就可以实现。在开发软件中使用原理图输入方式,把两个PAC块连接起来。

电路的CF是反馈电容值,Re是输入运放的等效电阻。其值为250kΩ。两个PAC块是输出分别为Vo1和Vo2。可以分别得到两个表达式,3-17-6表达式为带通函数、

3-17-6

3-17-7表达式为低通函数

3-17-7

实际利用ispPAC进行滤波器的设计时,一般在其开发软件PAC-Designer中含有一个宏,专门用于滤波器的设计,设计者只要根据所要求选择不同类型,不同性能指标的滤波器配置电路,不需要自己连接电路,只要输入滤波器的相应指标。如fo、Q等参数,即可自动产生滤波器电路。例如:用ispPAC10或ispPAC20设计时,需要在自动生产的滤波器电路里设置相应的增益和电容值。然后用模拟器模拟出所设计滤波器的幅频和相频特性。并与现实进行较,是否符合技术要求。

例如:根据3-17-6和3-17-7给出的方程,输入相应的技术指标,便可以在PAC Designer软件中滤波器设计的宏里自动产生双二阶滤波器电路,增益和相应电容值根据需要进行设置。开发软件中还有一个模拟器,用于模拟滤波器的幅频和相频特性。

(二).ispPAC器件设计有源滤波器举例

ispPAC80是lattice公司继ispPAC10和ispPAC20后推出的一种专门用来实现高性能连续时间低通滤波器的模拟可编程器件。该器件内部包含了仪表放大器增益级,内核是一个五阶滤波器,其软件设计方法与ispPAC10、ispPAC20稍有不同。

每一片ispPAC80器件可以同时存储两组不同参数的五阶滤波器配置(cfgA和cfgB),在进行设计前其默认值是空的(cfgA.unknown,cfgB.unknown)。ispPAC80软件库中含有八千多种不同类型和参数的五阶滤波器库,设计者可以调用该库从而方便地完成设计。例如:先设计第一个配置(cfgA):双击cfA unkown所在的矩形框,产生如图3-17-7所示的五阶滤波器库。

该库中含有各种不同类型的滤波器,如萨顿斯滤波器(Satons)、巴塞尔滤波器(Bessel)、线性滤波器、高斯滤波器(Gaussian),巴特沃斯滤波器(Butterworth)、椭圆滤波器等,每种类型的滤波器根据其参数值的不同,又分为不同的具体型号,共8244种。设计者只需要具备关于滤波器技术指标等知识,如通带频率、止带频率、止带衰减,相位线性度,群延时等。设计者根据所需要的设计的目标滤波器的各项指标的数据,从数据库里挑选出与目标技术指标比较接近(相差不会超过3.0)的组构方案。比如根据设计设计要求选定一种滤波器,如第4001种(ID号为4000)的椭圆滤波器,双击该ID号,将该种滤波器拷贝进ispPAC80的第一组配置ConfigurationA中。

双击输入使用运放IA图形,可以调整输入增益倍数(1.2.5或10)。同样,双击wakeup=cfgA的梯形图标,可以设置激活配置cfgA或cfgB。在上述设计输入完毕后,软件就可自动完成对滤波器的电路进行连接与参数配置。设计输入完毕后,按Tool=Run Simulator菜单,可对设计进行仿真,方法与3.16节相同。若仿真结果仍与设计要求有所偏差,则还可以调整3-17-8中滤波器的参数C1、C2、C3、C4、L2、L4和C5(双击该处即可进入参数调整状态)。

(二)spPAC80的特性曲线如3-17-10所示,供设计参考

1. 低通五阶滤波器增益为1,转折频率为10kHz,通带内允许最大波动为±1dB。

2. 设计一双二阶有源滤波器,要求实现低通、带通、高通输出。带通中心频率fo为10kHz,低通、高通转折频率均为10kHz,增益为2。

1.画出所设计有源滤波器原理图

2.用PAC-Designer软件根据设计要求设计出滤波器,打印出仿真曲线,并把设计好的滤波器下载到相应的芯片里。

3. 在实验仪器对芯片进行测试,芯片里的滤波器性能指标是否符合要求。

五.实验仪器及器件

所用仪器同3.16

ispPAC20、ispPAC10、ispPAC80适配板各一块。

有源滤波器

70年代初期,日本学者就提出了有源滤波器APF(Active Power Filter)的概念,即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比,AFP具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。


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