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由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器,其功能是讓一定頻率範圍內的信號通過,抑制或急劇衰減此頻率範圍以外的信號。可用在信息處理、數據傳輸、抑制干擾等方面,但因受運算放大器頻帶限制,這類濾波器主要用於低頻範圍。根據對頻率範圍的選擇不同,可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)等四種濾波器,它們的幅頻特性如圖2-1所示。
具有理想幅頻特性的濾波器是很難實現的,只能用實際的幅頻特性去逼近理想的。一般來說,濾波器的幅頻特性越好,其相頻特性越差,反之亦然。濾波器的階數越高,幅頻特性衰減的速率越快,但RC網路的節數越多,元件參數計算越繁瑣,電路調試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯實現。
1、 低通濾波器(LPF)
低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。
電路性能參數
二階低通濾波器的通帶增益
截止頻率,它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。
品質因數,它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。
2、高通濾波器(HPF)
與低通濾波器相反,高通濾波器用來通過高頻信號,衰減或抑制低頻信號。
只要將圖2-2低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換,即可變成二階有源高通濾波器,如圖2-3(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反,其頻率響應和低通濾波器是「鏡象」關係,仿照LPH分析方法,不難求得HPF的幅頻特性。
電路性能參數AuP、fO、Q各量的函義同二階低通濾波器。
有源濾波器的設計
一.實驗目的
1.  熟悉ispPAC80可編程模擬器件的結構、功能。
2.  掌握可編程模擬器件設計有源濾波器的方法。
3.  學會使用PAC-Designer軟體進行有源濾波器的設計。
4.  學會有源濾波器的幅頻、相頻特性曲線的測試方法。
二.實驗原理
(一)   .設計原理
濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制(或衰減)無用頻率信號的電子電路或裝置。在工程上,常用它來進行信號處理,數據傳送或抑制干擾等。以往濾波器主要採用無源元件R、L、和C組成,目前一般用集成運放、R、C組成,常稱為有源濾波器。
在一個實際的電子系統中,有時輸入信號往往受干擾等原因而含有一些不必要的成分,應當把它衰減到足夠小的程度。而在另一些場合,有時我們需要的信號和別的信號混在一起,應當 設法把我們需要的信號挑出來。要解決這些問題都需要採用有源濾波器。
用在系統可編程模擬器件實現有源濾波器的設計非常方便。通常用三個運算放大器就可以實現雙二階型函數的電路。而雙二階型函數能實現所有的濾波器函數,如低通、高通、帶通、帶阻。雙二階函數的表達式如3-17-1所示,式中m=1或0,n=1或0。
3-17-1
這種電路的靈敏度相當低,電路容易調整。另一個顯著特點是只需增加少量的元件就能實現各種濾波函數。3.16節可知ispPAC10、ispPAC20器件結構與功能,實現這樣的電路很容易。首先討論低通濾波器的轉移函數如3-17-2式。
3-17-2              
3-17-3
3-17-4
3-17-4式可寫成3-17-5式形式
b=k1k2    3-17-5
如圖3-17-1為雙二階有源濾波器方框圖。
不難看出方框圖中的函數可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來實現。把各個運算放大器電路代入圖3-17-1所示的方框圖即可得到3-17-2電路。
然而現在已不再需要電阻、電容、運放搭電路了,調試電路了。利用在系統可編程器件可以很方便的實現此電路。ispPAC10能夠實現方框圖中的每一個功能塊。PAC塊可以對兩個信號進行求和或求差,K為可編程增益,電路中把K11、K12、K22設置成+1,把K12設置成-1。因此三運放的雙二階型函數的電路用兩PAC塊就可以實現。在開發軟體中使用原理圖輸入方式,把兩個PAC塊連接起來,電路圖3-17-3所示。
電路的CF是反饋電容值,Re是輸入運放的等效電阻。其值為250kΩ。兩個PAC塊是輸出分別為Vo1和Vo2。可以分別得到兩個表達式,3-17-6表達式為帶通函數、
3-17-6
3-17-7表達式為低通函數
3-17-7
實際利用ispPAC進行濾波器的設計時,一般在其開發軟體PAC-Designer中含有一個宏,專門用於濾波器的設計,設計者只要根據所要求選擇不同類型,不同性能指標的濾波器配置電路,不需要自己連接電路,只要輸入濾波器的相應指標。如fo、Q等參數,即可自動產生濾波器電路。例如:用ispPAC10或ispPAC20設計時,需要在自動生產的濾波器電路里設置相應的增益和電容值。然後用模擬器模擬出所設計濾波器的幅頻和相頻特性。並與現實進行較,是否符合技術要求。圖3-17-4為一實際雙二階有源濾電路,圖3-17-5為模擬曲
線。
圖3-17-5
例如:根據3-17-6和3-17-7給出的方程,輸入相應的技術指標,便可以在PAC Designer軟體中濾波器設計的宏里自動產生雙二階濾波器電路,增益和相應電容值根據需要進行設置。開發軟體中還有一個模擬器,用於模擬濾波器的幅頻和相頻特性。圖3-17-4為一個實際的電路。
(二).ispPAC器件設計有源濾波器舉例
ispPAC80是lattice公司繼ispPAC10和ispPAC20后推出的一種專門用來實現高性能連續時間低通濾波器的模擬可編程器件。該器件內部包含了儀錶放大器增益級,內核是一個五階濾波器,其軟體設計方法與ispPAC10、ispPAC20稍有不同。IspPAC80圖形設計輸入環境如圖3-17-6所示:
圖3-17.-6
每一片ispPAC80器件可以同時存儲兩組不同參數的五階濾波器配置(cfgA和cfgB),在進行設計前其默認值是空的(cfgA.unknown,cfgB.unknown)。ispPAC80軟體庫中含有八千多種不同類型和參數的五階濾波器庫,設計者可以調用該庫從而方便地完成設計。例如:先設計第一個配置(cfgA):雙擊cfA unkown所在的矩形框,產生如圖3-17-7所示的五階濾波器庫。
圖3-17-7
該庫中含有各種不同類型的濾波器,如巴塞爾濾波器(Bessel)、線性濾波器、高斯濾波器(Gaussian),巴特沃斯濾波器(Butterworth)、橢圓濾波器等,每種類型的濾波器根據其參數值的不同,又分為不同的具體型號,共8244種。設計者只需要具備關於濾波器技術指標等知識,如通帶頻率、止帶頻率、止帶衰減,相位線性度,群延時等。設計者根據所需要的設計的目標濾波器的各項指標的數據,從資料庫里挑選出與目標技術指標比較接近(相差不會超過3.0﹪)的組構方案。比如根據設計設計要求選定一種濾波器,如第4001種(ID號為4000)的橢圓濾波器,雙擊該ID號,將該種濾波器拷貝進ispPAC80的第一組配置ConfigurationA中。同樣可再選一種濾波器並將其拷貝進ConfigurationB中,這時ispPAC80設計環境就變成圖3-17-8所示
圖3-17-8
在圖3-17-8中,雙擊輸入使用運放IA圖形,可以調整輸入增益倍數(1.2.5或10)。同樣,雙擊wakeup=cfgA的梯形圖標,可以設置激活配置cfgA或cfgB。在上述設計輸入完畢后,軟體就可自動完成對濾波器的電路進行連接與參數配置。設計輸入完畢后,按Tool=Run Simulator菜單,可對設計進行模擬,方法與3.16節相同。若模擬結果仍與設計要求有所偏差,則還可以調整3-17-8中濾波器的參數C1、C2、C3、C4、L2、L4和C5(雙擊該處即可進入參數調整狀態)。
這些參數的含義如圖3-17-9所示
(二)   spPAC80的特性曲線如圖3-17-10所示,供設計參考
三、設計任務
1.   低通五階濾波器增益為1,轉折頻率為10kHz,通帶內允許最大波動為±1dB。
2.   設計一雙二階有源濾波器,要求實現低通、帶通、高通輸出。帶通中心頻率fo為10kHz,低通、高通轉折頻率均為10kHz,增益為2。
四、實驗內容及步驟
1.畫出所設計有源濾波器原理圖
2.用PAC-Designer軟體根據設計要求設計出濾波器,列印出模擬曲線,並把設計好的濾波器下載到相應的晶元里。
3.   在實驗儀器對晶元進行測試,晶元里的濾波器性能指標是否符合要求。
五.實驗儀器及器件  
所用儀器同3.16
ispPAC20、ispPAC10、ispPAC80適配板各一塊。
有源濾波器
70年代初期,日本學者就提出了有源濾波器APF(Active Power Filter)的概念,即利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流,使電源的總諧波電流為零,達到實時補償諧波電流的目的。
與無源濾波器相比,AFP具有高度可控性和快速響應性,能補償各次諧波,可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點;濾波特性不受系統阻抗的影響,可消除與系統阻抗發生諧振的危險;具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化著的諧波。
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