有源濾波器的設(shè)計(jì)

有源濾波一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1．熟悉ispPAC80可編程模擬器件的結(jié)構(gòu)、功能。

2．掌握可編程模擬器件設(shè)計(jì)有源濾波器的方法。

3．學(xué)會(huì)使用PAC-Designer軟件進(jìn)行有源濾波器的設(shè)計(jì)。

4．學(xué)會(huì)有源濾波器的幅頻、相頻特性曲線的測(cè)試方法。

有源濾波二.實(shí)驗(yàn)原理

（一）設(shè)計(jì)原理

濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制（或衰減）無用頻率信號(hào)的電子電路或裝置。在工程上，常用它來進(jìn)行信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。以往濾波器主要采用無源元件R、L、和C組成，目前一般用集成運(yùn)放、R、C組成，常稱為有源濾波器。

在一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)中，有時(shí)輸入信號(hào)往往受干擾等原因而含有一些不必要的成分，應(yīng)當(dāng)把它衰減到足夠小的程度。而在另一些場(chǎng)合，有時(shí)我們需要的信號(hào)和別的信號(hào)混在一起，應(yīng)當(dāng) 設(shè)法把我們需要的信號(hào)挑出來。要解決這些問題都需要采用有源濾波器。

用在系統(tǒng)可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)有源濾波器的設(shè)計(jì)非常方便。通常用三個(gè)運(yùn)算放大器就可以實(shí)現(xiàn)雙二階型函數(shù)的電路。而雙二階型函數(shù)能實(shí)現(xiàn)所有的濾波器函數(shù)，如低通、高通、帶通、帶阻。雙二階函數(shù)的表達(dá)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(dāng)?shù)?，電路容易調(diào)整。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是只需增加少量的元件就能實(shí)現(xiàn)各種濾波函數(shù)。3.16節(jié)可知ispPAC10、ispPAC20器件結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)這樣的電路很容易。首先討論低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)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

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(shù)可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來實(shí)現(xiàn)。把各個(gè)運(yùn)算放大器電路代入3-17-1的方框圖即可得到3-17-2電路。

然而現(xiàn)在已不再需要電阻、電容、運(yùn)放搭電路了，調(diào)試電路了。利用在系統(tǒng)可編程器件可以很方便的實(shí)現(xiàn)此電路。ispPAC10能夠?qū)崿F(xiàn)方框圖中的每一個(gè)功能塊。PAC塊可以對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行求和或求差，K為可編程增益，電路中把K11、K12、K22設(shè)置成 1，把K12設(shè)置成-1。因此三運(yùn)放的雙二階型函數(shù)的電路用兩PAC塊就可以實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)軟件中使用原理圖輸入方式，把兩個(gè)PAC塊連接起來。

電路的CF是反饋電容值，Re是輸入運(yùn)放的等效電阻。其值為250kΩ。兩個(gè)PAC塊是輸出分別為Vo1和Vo2?？梢苑謩e得到兩個(gè)表達(dá)式，3-17-6表達(dá)式為帶通函數(shù)、

3-17-6

3-17-7表達(dá)式為低通函數(shù)

3-17-7

實(shí)際利用ispPAC進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，一般在其開發(fā)軟件PAC-Designer中含有一個(gè)宏，專門用于濾波器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者只要根據(jù)所要求選擇不同類型，不同性能指標(biāo)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(yīng)指標(biāo)。如fo、Q等參數(shù)，即可自動(dòng)產(chǎn)生濾波器電路。例如：用ispPAC10或ispPAC20設(shè)計(jì)時(shí)，需要在自動(dòng)生產(chǎn)的濾波器電路里設(shè)置相應(yīng)的增益和電容值。然后用模擬器模擬出所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性。并與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行較，是否符合技術(shù)要求。

例如：根據(jù)3-17-6和3-17-7給出的方程，輸入相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，便可以在PAC Designer軟件中濾波器設(shè)計(jì)的宏里自動(dòng)產(chǎn)生雙二階濾波器電路，增益和相應(yīng)電容值根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。開發(fā)軟件中還有一個(gè)模擬器，用于模擬濾波器的幅頻和相頻特性。

（二）.ispPAC器件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高性能連續(xù)時(shí)間低通濾波器的模擬可編程器件。該器件內(nèi)部包含了儀表放大器增益級(jí)，內(nèi)核是一個(gè)五階濾波器，其軟件設(shè)計(jì)方法與ispPAC10、ispPAC20稍有不同。

每一片ispPAC80器件可以同時(shí)存儲(chǔ)兩組不同參數(shù)的五階濾波器配置（cfgA和cfgB）,在進(jìn)行設(shè)計(jì)前其默認(rèn)值是空的（cfgA.unknown,cfgB.unknown）。ispPAC80軟件庫中含有八千多種不同類型和參數(shù)的五階濾波器庫，設(shè)計(jì)者可以調(diào)用該庫從而方便地完成設(shè)計(jì)。例如：先設(shè)計(jì)第一個(gè)配置(cfgA)：雙擊cfA unkown所在的矩形框，產(chǎn)生五階濾波器庫。

該庫中含有各種不同類型的濾波器，如薩頓斯濾波器(Satons)、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(jù)其參數(shù)值的不同，又分為不同的具體型號(hào)，共8244種。設(shè)計(jì)者只需要具備關(guān)于濾波器技術(shù)指標(biāo)等知識(shí)，如通帶頻率、止帶頻率、止帶衰減，相位線性度，群延時(shí)等。設(shè)計(jì)者根據(jù)所需要的設(shè)計(jì)的目標(biāo)濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫里挑選出與目標(biāo)技術(shù)指標(biāo)比較接近（相差不會(huì)超過3.0﹪）的組構(gòu)方案。比如根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求選定一種濾波器，如第4001種（ID號(hào)為4000）的橢圓濾波器，雙擊該ID號(hào)，將該種濾波器拷貝進(jìn)ispPAC80的第一組配置ConfigurationA中。

雙擊輸入使用運(yùn)放IA圖形，可以調(diào)整輸入增益倍數(shù)（1.2.5或10）。同樣，雙擊wakeup=cfgA的梯形圖標(biāo)，可以設(shè)置激活配置cfgA或cfgB。在上述設(shè)計(jì)輸入完畢后，軟件就可自動(dòng)完成對(duì)濾波器的電路進(jìn)行連接與參數(shù)配置。設(shè)計(jì)輸入完畢后，按Tool=Run Simulator菜單，可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，方法與3.16節(jié)相同。若仿真結(jié)果仍與設(shè)計(jì)要求有所偏差，則還可以調(diào)整3-17-8中濾波器的參數(shù)C1、C2、C3、C4、L2、L4和C5（雙擊該處即可進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整狀態(tài)）。

（二）spPAC80的特性曲線如3-17-10所示，供設(shè)計(jì)參考

有源濾波三、設(shè)計(jì)任務(wù)

1. 低通五階濾波器增益為1，轉(zhuǎn)折頻率為10kHz，通帶內(nèi)允許最大波動(dòng)為±1dB。

2. 設(shè)計(jì)一雙二階有源濾波器，要求實(shí)現(xiàn)低通、帶通、高通輸出。帶通中心頻率fo為10kHz，低通、高通轉(zhuǎn)折頻率均為10kHz，增益為2。

有源濾波四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1．畫出所設(shè)計(jì)有源濾波器原理圖

2．用PAC-Designer軟件根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出濾波器，打印出仿真曲線，并把設(shè)計(jì)好的濾波器下載到相應(yīng)的芯片里。

3. 在實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，芯片里的濾波器性能指標(biāo)是否符合要求。

五.實(shí)驗(yàn)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(xué)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(dǎo)體器件向電網(wǎng)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(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)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(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn);濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。

與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。

只要將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。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系，仿照LPH分析方法，不難求得HPF的幅頻特性。

電路性能參數(shù)AuP、fO、Q各量的函義同二階低通濾波器。

低通濾波器是用來通過低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。

電路性能參數(shù)

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(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。

根據(jù)對(duì)頻率范圍的選擇不同，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。

具有理想幅頻特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)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(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有源濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明涉及一種有源濾波系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)為與供電網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)連接，所述供電網(wǎng)絡(luò)提供包括干擾電流的主電源電流(IMAIN)，所述系統(tǒng)包括：?至少一個(gè)電容器(C)，?包括電源的受控電流生成器，意圖生成正確定電壓( VDC)或負(fù)確定電壓(?VDC)并且與電容器串聯(lián)連接，?用于控制所述受控電流生成器(1)的設(shè)備，被設(shè)計(jì)為生成要施加到主電流的補(bǔ)償電流(ICAPA)，以便補(bǔ)償所述干擾電流(INOISE)，同時(shí)將在電流生成器(1)與所述電容器之間的連接點(diǎn)測(cè)量的解耦電流(VDEC)保持在適于使得所述電流生成器不飽和的值