常用滤波器设计及性能分析

杨韵勍

(哈尔滨工业大学，山东 威海 264200)

1 引言

低压电器产品试验是鉴定低压电器产品质量的一个重要环节，其目的是验证产品性能是否符合相关标准的规定，是否存在影响运行的缺陷以及通过分析来改进设计。但是由于各种干扰，低压电器产品试验参数存在着无用的噪声信号，在分析中必须对它们进行消噪，才能真实地反映出原始数据，进行精确分析、鉴定产品的质量可靠性。滤波器是使用的最多、技术最复杂的一种消噪形式。为了更好地、快捷地实现对滤波器的选型与设计，并对所选滤波器的性能进行有效地设计前分析，本文在分析常用几种滤波器的原理及特性的基础上，设计出一种常用滤波器设计及性能分析系统，针对各种滤波器不同参数的变化，可以直观地得到滤波器的相应特性。因此一种基于Multisim与LabVIEW软件的常用滤波器设计及性能分析系统具有很大的意义。

2 LabVIEW对Multisim的调用方法

在传统的控制逻辑设计中，工程师开发出与模拟电路分享的嵌入式的代码，但是逐渐地他们需要在系统级进行交互，这个通常很难实现同时的仿真。这种仿真能力的缺乏有可能导致开发出来的嵌入式逻辑并不能很好地支持模拟电路，造成系统效率低于预期/设计指标。这将迫使开发者对算法进行调整并重编译。

使用LabVIEW Multisim连接工具包可以进行可编程控制及实现Multisim仿真的自动化。Multisim自动化API支持基于COM接口实现的Multisim仿真的自动化和数据采集。该API允许您编程控制Multisim仿真，而无须察看Multisim。利用COM-aware语言编写的客户端，可以通过这一接口访问Multisim，并利用该仿真引擎采集仿真测量结果。

通过仿真，保证了LabVIEW中开发的现场可编程逻辑门阵列的算法和代码可以提供模拟电路所需的运行结果以后，就可以直接用硬件进行实现，改变达到最小化。这种设计方式是Multisim 12.0新引入的概念，叫做LabVIEW联合仿真。联合仿真允许在每个时间步长中两个仿真引擎进行交互，这样就构建了一个对整个系统的闭环仿真。仿真的结果就是对整个模拟电路和数字模块的验证，包括了所有的系统的动态特性。Multisim作为专为准备的模拟和混合信号电路仿真的环境，内置了大量顶尖半导体厂商提供的SPICE模型。LabVIEW仿真引擎则以图形化，数据流的形式有效地设计和实现控制逻辑。该引擎可以为机械和电力电子系统的嵌入式数字代码提供高级的仿真解决方案。这样的结果减小了原型化过程中的迭代次数，并可以用更少的编译时间来实现更准确的嵌入式代码。

此课题选择了第二种方案，原因是在实现统一的功能时，第一种方案要比第二种方案复杂许多。并且由于此系统的VI结构层次很多，需要改变子VI中的元件值，而使用LabVIEW Multisim连接工具包可以改变和替换设计中的顶层组件;子电路中的组件和层次结构中的组件不可以改变。

3 模拟滤波器的原理

3.1 压控电压源型滤波器

在压控电压源型有源滤波器中，运算放大器和电阻构成压控电压源，其运放为同相输入，具有输入电阻高、输出电阻低的优点，能提供一定的信号增益和缓冲作用。并可用简单的级联得到高阶滤波器，且调谐也很方便。该电路在数控装置和信号处理电路中有广泛应用。压控电压源型有源滤波器电路图如图1所示。

图1 压控电压源型率滤波器电路图

压控电压源型有源滤波器的压控增益Kf为

式中、R0，R为图1所示电阻，Ω。

压控电压源型有源滤波器的传递函数H(s)为

在企业的发展过程中，财务风险管理是首要任务，也是必不可少的工作之一，为了推进企业的发展，必须要进行合理的财务风险管理。财务风险管理理念需要在不断更新的基础上进行，可以有效促进企业财政风险的减少，也有利于提高企业的利润收入，促进企业进一步可持续发展。

式中，Y1～Y5为图1所示元器件，电阻单位为Ω，电容单位为F。

二阶压控电压源有源低通滤波器:当Y1，Y2取电阻R1，R2，Y3，Y4取电容C1，C2时，得到二阶低通滤波电路，C1接到运放的输出形成正反馈，电容C1具有超作前用，C2具有滞后作用，它的一级电容的一端接到集成运放的输出端，形成单端正反馈形式，其目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，而在接近截至频率ω0的范围输出电压又不至下降太多，有利于改善滤波特性。

二阶压控电压源有源高通滤波器:当Y3，Y4取电阻R1，R2，Y1，Y2取电容C1，C2时，得到二阶高通滤波电路。由对偶原理知，低通滤波器中的电阻、电容互换位置，就可得到高通滤波器。

二阶压控电压源有源带通滤波器:当Y1，Y4取电阻R1，R2，Y2，Y3取电容C1，C2时，得到二阶带通滤波电路。

3.2 无限增益多路反馈型滤波器

`无限增益多路反馈型滤波器如图2所示。与压控电压源型电路一样，无限增益多路反馈型电路也可由一个运算放大器构成多种二阶滤波电路。图2是由单一运算放大器构成的无限增益多路反馈二阶滤波电路的基本结构。

图2 无限增益多路反馈型滤波器电路图

无限增益多路反馈型滤波器电路的传递函数为:

二阶无限增益多路反馈有源低通滤波器:当Y1，Y2，Y3取电阻R1，R2，R3，Y4，Y5取电容C1，C2时，得到二阶无限增益低通滤波电路。

二阶无限增益多路反馈有源高通滤波器:当Y1，Y2，Y3取电容C1，C2，C3，Y4，Y5取电阻R1，R2时，得到二阶无限增益高通滤波电路。

二阶无限增益多路反馈有源带通滤波器:当Y1，Y4，Y5取电阻R1，R2，R3，Y2，Y3取电容C1，C2时，得到二阶无限增益带通滤波电路。

4 常用滤波器设计及性能分析系统的设计

本系统一共包含两大模块，分别为模拟滤波器波特图模块与模拟滤波器效果图模块。

4.1 模拟滤波器波特图模块的设计

模拟滤波器波特图模块一共包含7个子VI。在菜单制作中由于子VI中使用了控制仿真模块中的控制仿真循环，而且循环层次较多，需要两个while循环操作停止才可返回总菜单。具体如图3为子菜单前面板。

图3 模拟滤波器波特图菜单前面板

在此菜单中，七个子VI结构类似，因此以无限增益多路反馈型带通滤波电路为例，其前面板如图4所示。

图4 无限增益带通滤波器波特图前面板

首先放置一个循环，将输入控件移至循环内部。调用Multisim电路图，将输入控件与电路图中的输入端连接。之后再计算传递函数并将输出端连接至波特图模块，再连接波形图表，就可画出波特图。同时，使前面板输出传递函数。流程如图5所示。

在Multisim调用模块的制作中，由于正常的电阻电容无法输入参数值也无法输出参数值。因此选用压控电阻与压控电容器件，被调用的Multisim电路图如图6所示。由于在同一点不可以同时有输入端口与输出端口，所以在压控端的一头接输入端，同时连接一个极小的电阻，由于电流流过极小电阻时可以近似看做是导线电阻，因此由它连接输出端口这个方案变为可行。设这个极小电阻为0.001Ω。

图5 无限增益带通滤波器波特图模块流程图

图6 无限增益带通滤波器波特图所调用Multisim文件

结论:模拟滤波器中参数对性能指标的影响如表1～表7所示。

表1 无限增益多路反馈型带通滤波器

表2 无限增益多路反馈型高通滤波器

表3 无限增益多路反馈型低通滤波器

表4 压控电压源型带通滤波器

表5 压控电压源型高通滤波器

表6 压控电压源型低通滤波器

表7 压控电压源型带阻滤波器

所有压控电压源型滤波器增大R，减小R0都可增大Kp值，减小α值，减小Q值。

4.2 模拟滤波器效果图模块的设计

此模块的前面板与模拟滤波器波特图模块原理相同。一样是由7个子VI构成，分别为压控电压源型低通滤波电路，压控电压源型高通滤波电路，压控电压源型带通滤波电路，压控电压源型带阻滤波电路，无限增益多路反馈型低通滤波电路，无限增益多路反馈型高通滤波电路，无限增益多路反馈型带通滤波电路七个子VI，菜单同样由事件结构制作。

以压控低通滤波器为例:前面板如图7所示，第一横排数值输入为对原信号源的振幅，频率，相位的设定。第二排的数值输入为对干扰信号源的振幅，频率，相位的设定。右下方图为其所调用的Multisim文件的电路图，有电路图可以看到在电源处有一个输入接口，在波特图示仪处有一个输出接口。由此，我们可以检验该滤波器的输出效果。三个示波器分别显示的是在滤波前，滤波后，与理想状态下原信号三种情况的波形图。由下图我们可以看出在滤波后，干扰信号被滤除。

图7 压控电压源型低通滤波器效果图前面板

5 结论

在常用滤波器设计及其性能分析系统的开发过程中，主要研究了压控电压源型滤波器和无限增益多路反馈型滤波器的基本理论，在理论基础上对参数对于性能指标的影响进行了尝试性的比较和总结，并通过软件测试验证了本系统的研究成果。此系统在功能上的直观性，可以使其更好的为工作人员在参数设定方面提供参考帮助。

［1］张贤达.现代信号处理［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［2］李哲秀.模拟电子线路分析与Multisim仿真［M］.北京:机械工业出版社，2008:37-73.