濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件FilterWizPro的使用

1、濾波器設(shè)計(jì)與仿真Filter Wiz Pro的使用【設(shè)計(jì)任務(wù)】設(shè)計(jì)一個(gè)二階低通濾波器，截止頻率為fo=1kHz20kHz【設(shè)計(jì)步驟】啟動(dòng)Filter Wiz Pro 3.0，程序界面如圖1所示：圖1 Filter Wiz Pro 3.0 的程序界面單擊標(biāo)有“LP的按鈕，翻開(kāi)設(shè)計(jì)窗口如圖1所示圖2濾波器設(shè)計(jì)窗口在左側(cè)窗口指定參數(shù)，如圖3示：E Enter frequency, attenuEtiQri and gain 屮白lue.廠(chǎng)I3止日30dBKHz -kKHz曰廠(chǎng)K-2仃Enter values: Force Filial OrderPassband Allen u alion (Apb

2、):Sto p band Attenuation (Asb):Pass band Frequency (Jpb)cStopband Frequency (Fsb):Center Freqii&ncy (wO):Onrall Filler Gain:Calculale 限裏Magnitude Response圖3 設(shè)定參數(shù)在上面的指定中，Apb，Asb，fpb都是按照慣例選定的，調(diào)整fsb的數(shù)值可 以得到不同的階數(shù)和Q數(shù)值。參數(shù)還看不懂，請(qǐng)參看相關(guān)模電書(shū)籍 單擊“Calculate按鈕，計(jì)算結(jié)果將顯示在右側(cè)窗口中，如圖4所示。從圖4中可以看到不同的近似函數(shù)的不同性能。其中 Butterw

3、orth 型的圖4 計(jì)算結(jié)果顯示單擊 “ Next'按鈕，進(jìn)入 “View frequency and time responses, select Approximation 環(huán)節(jié)，如圖 5 所示。(E) View frequency and time responses, select Approximation:Graphs血 Configuref 毎 Strategy(.gAWJ.E£' BulterwcrthN =20 ChebyshavN 2O Inverse ChebyshevN =2 ) Elliptic (Cauer)N 2B歸wel (Thorri

4、pm)N =2Display ApproxiirnationsSelect Approximation View all Vi«w single< 6ckNext >圖5 查看頻率和時(shí)間響應(yīng)，選擇近似方式圖5顯示了不同的近似方式的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)。選擇近似方式為Butterworth 。單擊 “Next'按鈕，進(jìn)入 “Select circuit schematic for each stage， 如圖 6所示。圖6 選擇電路原理圖單擊 按鈕可以查看和選擇不同原理圖如圖 6所示。圖7 選定電路圖單擊“ Select按鈕，然后單擊 “ Next按鈕，進(jìn)入“Calcula

5、te component values環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)里，設(shè)計(jì)者可以選擇不同的電阻精度、電容大小 等。不作修改，直接用默認(rèn)的設(shè)置，單擊 “ Next 按鈕。(E Final frequency responsesFrequency (IHz)Show Response:同 Standard C. exact RStandard ResistorsShow Staggs& All.)From stageTo StaeConfigure Graphs6 o.2 oo.Lb. Configure< BackSwh as aSketch Filex.y圖9最終結(jié)果圖9顯示了電路最終可以實(shí)

6、現(xiàn)的濾波器響應(yīng)曲線(xiàn)。第二局部濾波器仿真在protesus中搭好電路圖，增加信號(hào)源sine，即R2(1);和增加電壓探針C1(1)在 graph mode 中選擇 frequency response 模塊雙擊frequency response模塊，設(shè)置仿真參數(shù)在菜單中選擇 graph/add trace，設(shè)置probe P1為C1(1)繼續(xù)在菜單中選擇graph/add trace,設(shè)置probe P2為phase在菜單中選擇 graph/simulate graph，仿真運(yùn)行濾波器根本概念濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)， 而極大地衰減其它 頻率成分。本節(jié)所述內(nèi)容屬于模

7、擬濾波范圍。主要介紹模擬濾波器原理、種類(lèi)、 數(shù)學(xué)模型、主要參數(shù)、RC濾波器設(shè)計(jì)。盡管數(shù)字濾波技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但 模擬濾波在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制以及 電子測(cè)量?jī)x器中仍被廣泛應(yīng)用。濾波器分類(lèi)1根據(jù)濾波器的選頻作用分類(lèi)低通濾波器從0f 2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于 f2的頻率成分幾乎 不受衰減地通過(guò)，而高于f 2的頻率成分受到極大地衰減。高通濾波器 與低通濾波相反，從頻率flX,其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于 fl的頻率 成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而低于f 1的頻率成分將受到極大地衰減。帶通濾波器它的通頻帶在flf2之間。它使信號(hào)中高于fl而低于f2的頻率成分可以不受衰 減地通過(guò)，而

8、其它成分受到衰減。帶阻濾波器與帶通濾波相反，阻帶在頻率flf2之間。它使信號(hào)中高于fl而低于f2的頻率 成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過(guò) 低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最根本的形式，其它的濾波器都可以分 解為這兩種類(lèi)型的濾波器，例如：低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器， 低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。2.根據(jù)“最正確逼近特性標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)巴特沃斯濾波器從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特 性，其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：切比雪夫?yàn)V波器切貝雪夫?yàn)V波器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的，其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：£是決定通帶波紋大小的

9、系數(shù)，波紋的產(chǎn)生是由于實(shí)際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件；Tn是第一類(lèi)切貝雪夫 多項(xiàng)式。與巴特沃斯逼近特性相比擬，這種特性雖然在通帶內(nèi)有起伏，但對(duì)同樣的n值在 進(jìn)入阻帶以后衰減更陡峭，更接近理想情況。£值越小，通帶起伏越小，截止頻率點(diǎn)衰減的分貝值也越小，但進(jìn)入阻帶后衰減特性變化緩慢。切貝雪夫?yàn)V波器 與巴特沃斯濾波器進(jìn)行比擬，切貝雪夫?yàn)V波器的通帶有波紋， 過(guò)渡帶輕陡直，因 此，在不允許通帶內(nèi)有紋波的情況下，巴特沃斯型更可??；從相頻響應(yīng)來(lái)看，巴 特沃斯型要優(yōu)于切貝雪夫型，通過(guò)上面二圖比擬可以看出，前者的相頻響應(yīng)更接 近于直線(xiàn)。貝塞爾濾波器只滿(mǎn)足相頻特性而不關(guān)心幅頻特性。貝塞爾濾波器又稱(chēng)最平時(shí)延或

10、恒時(shí)延濾波 器。其相移和頻率成正比，即為一線(xiàn)性關(guān)系。但是由于它的幅頻特性欠佳，而往 往限制了它的應(yīng)用。、理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和 相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰 減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線(xiàn)。 也就是說(shuō)，理想濾波器在 通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為 零。理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為: 其幅頻及相頻特性曲線(xiàn)為:分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)ht 為sine函數(shù)，圖形如下列圖所示。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸，從圖 中可以看出，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t&l

11、t;0時(shí)，濾波器就已經(jīng) 有響應(yīng)了。顯然，這是一種非因果關(guān)系，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。這說(shuō)明在截止 頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說(shuō)在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波 器是不可能存在的。實(shí)際濾波器的頻域圖形不會(huì)在某個(gè)頻率上完全截止，而會(huì)逐漸衰減并延伸到。、實(shí)際濾波器1.實(shí)際濾波器的根本參數(shù)理想濾波器是不存在的，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒(méi)有 嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個(gè)過(guò)渡帶。 在過(guò)渡帶內(nèi)的頻率成分不會(huì)被 完全抑制，只會(huì)受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過(guò)渡帶越窄越好，也就是希望 對(duì)通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際濾波器時(shí)，總是 通過(guò)各種方法使其盡量

12、逼近理想濾波器。如下圖為理想帶通虛線(xiàn)和實(shí)際帶通實(shí)線(xiàn)濾波器的幅頻特性。由圖中可 見(jiàn)，理想濾波器的特性只需用截止頻率描述， 而實(shí)際濾波器的特性曲線(xiàn)無(wú)明顯的 轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數(shù)，故需用更多參數(shù)來(lái)描述。紋波幅度d在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化， 其波動(dòng)幅度d與幅 頻特性的平均值A(chǔ)相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB。截止頻率f e幅頻特性值等于0.707A。所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為濾波器的截止頻率。以A為參考值,0.707A。對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對(duì)于A衰減3dB。假設(shè)以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功 率，貝U所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值 上下兩截止頻率

13、之間的頻率范圍稱(chēng)為濾波器帶寬，或 -3dB帶寬，單位為Hz。帶 寬決定著濾波器別離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力一一頻率 分辨力。在電工學(xué)中, 通常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當(dāng)于諧振點(diǎn)的幅 值增益系數(shù)，Q=1/2 E E 阻尼率。對(duì)于帶通濾波器，通常把中心頻率 fo 和帶寬B之比稱(chēng)為濾波器的品質(zhì)因數(shù) Q。例如一個(gè)中心頻率為500Hz的 濾波器，假設(shè)其中-3dB帶寬為10Hz,那么稱(chēng)其Q值為50。Q值越大，說(shuō)明濾波器頻 率分辨力越高。倍頻程選擇性W在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過(guò)渡帶，這個(gè)過(guò)渡帶的幅頻曲線(xiàn)傾斜程度 說(shuō)明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與2f c2之間，或者在下截止頻率fci與fci/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻 程時(shí)