有源模擬濾波器的快速協(xié)同設(shè)計方法

摘要：為了解決有源模擬濾波器傳遞特性函數(shù)設(shè)計中手工計算方法復(fù)雜、時間長，查表法精度不高的問題，提出了一種快速協(xié)同設(shè)計方法，該方法先通過在MATLAB環(huán)境下將基于頻率變換的有源模擬濾波器傳遞函數(shù)設(shè)計方法程序化，之后只需給出濾波器電壓衰減設(shè)計指標(biāo)和邊界頻率即可快速獲得濾波器傳遞函數(shù)或其二階級聯(lián)傳遞函數(shù)中各多項式的系數(shù)并在此基礎(chǔ)上進行電路綜合，大大縮短了設(shè)計時間，最后通過EDA工具Pspice對其綜合的電路進行性能指標(biāo)的仿真，進一步驗證和完善設(shè)計方案，為電路實現(xiàn)的可行性提供了可靠的保障。仿真實驗結(jié)果表明協(xié)同設(shè)計方法快速、直觀、準(zhǔn)確，大大提高了設(shè)計效率，對有源模擬濾波器特別是高階濾波器的設(shè)計具有很好的實際指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：有源模擬濾波器；快速協(xié)同設(shè)計；傳遞函數(shù)；MATLAB；EDA

    波器是一種能從含有很寬頻率的信號中選出所需要的部分，并將不需要部分衰減掉的電路，利用它來分開或組合不同的頻率，如在放大器，混頻器以及多路通信電路中等，總之，從超長波經(jīng)微波到光波以上的所有電磁波段，都需要濾波器。有源模擬濾波器常用的設(shè)計方法是以插入衰減理論為基礎(chǔ)的，稱為插入衰減法或工作參數(shù)法，也稱為綜合法。此方法常包含4步：1)根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求規(guī)定一個理想的衰減特性；2)用一個可實現(xiàn)的有理函數(shù)來逼近這個特性；3)用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，把這個函數(shù)綜合成一個實際的電路網(wǎng)絡(luò)；4)利用仿真軟件測試設(shè)計指標(biāo)是否達到，并進一步完善設(shè)計。按照此流程設(shè)計的濾波器，其實際特性可以和預(yù)先規(guī)定的指標(biāo)十分接近。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合的方法有許多可能的解，它們有不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不同的元件值。因此，根據(jù)各種準(zhǔn)則，在涉及到成本、性能、靈敏度、方便性和工程技術(shù)鑒定等因素選擇一個相對最佳的解，從許多可供選擇的方案中選擇一個方案也是設(shè)計的一個組成部分。
    上述設(shè)計流程中的第2步即濾波器傳遞函數(shù)是設(shè)計中的關(guān)鍵部分，其設(shè)計時間的縮短將會大大提高整體設(shè)計的效率。獲取傳遞函數(shù)的常用方法是由衰減指標(biāo)和通帶、阻帶截止頻率、逼近函數(shù)經(jīng)手工計算或查表得到濾波器階數(shù)和其傳遞函數(shù)中多項式系數(shù)或系統(tǒng)極點進而得到傳遞函數(shù)。但手工計算過程冗長且容易出錯；可查的表格通常也只能列出階數(shù)在10以內(nèi)的傳遞函數(shù)多項式系數(shù)。就所查閱的文獻顯示，設(shè)計該類濾波器的方法眾多，但很多文獻是對階數(shù)已知的低階濾波器(如二階)進行分析和改進設(shè)計，沒有給出由詳細指標(biāo)要求到系統(tǒng)傳遞函數(shù)求取再到電路綜合實現(xiàn)的全過程，即便給出綜合過程的也是以手工計算或查表來獲取濾波器階數(shù)及傳遞函數(shù)。在現(xiàn)階段計算機數(shù)值處理運算速度快和精度高的條件下，完全可以通過計算機處理繁瑣、冗長的手工計算過程，特別是對階數(shù)較高無法通過查表直接設(shè)計的濾波器。有源模擬濾波器的快速協(xié)同設(shè)計方法將濾波器參數(shù)的求取由計算機程序來完成，即在MATLAB程序中給入通帶或阻帶衰減指標(biāo)要求和邊界頻率獲得其原型濾波器階數(shù)n和截止頻率Ωc，利用這兩個關(guān)鍵參數(shù)進一步求得具體的濾波器如高通、帶通等濾波器傳遞函數(shù)H(S)，也可經(jīng)程序求得以雙二次函數(shù)形式表達的濾波器傳遞函數(shù)的二階級聯(lián)基本形式，以此為基礎(chǔ)再進行電路綜合，縮短了高階濾波器的設(shè)計時間，最后由EDA軟件在電路模型基礎(chǔ)上驗證設(shè)計方案是否滿足設(shè)計指標(biāo)要求，并作進一步的完善和改進，由于篇幅有限，見文獻。下面將以高通濾波器為例，介紹此快速協(xié)同設(shè)計方法。

1 基于頻率變換的濾波器傳遞函數(shù)設(shè)計
1．1 頻率變換流程
    有源模擬濾波器設(shè)計流程是由低通濾波器開始經(jīng)頻帶變換得到其他類型的濾波器，首先利用實頻率域的頻率變換方法，將高通、帶通、帶阻的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為對低通的技術(shù)要求，然后按要求設(shè)計低通的轉(zhuǎn)移函數(shù)，再利用復(fù)頻率域中的頻率變換方法，將設(shè)計好的低通轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)換為高通，帶通和帶阻的轉(zhuǎn)移函數(shù)。如圖1所示。

1．2 濾波器設(shè)計手工計算示例
    以實現(xiàn)一個切比雪夫(Chebyshev)高通濾波器為例，其電壓衰減指標(biāo)為：通帶的最大衰減αmax為0．1 dB，阻帶內(nèi)最小衰減αmin為20 dB；通帶邊界頻率為ωp=1 250(rad／s)(fp=199 Hz)，阻帶邊界頻率為ωs=500(rad／s)(fs=79．6 Hz)。按上述要求經(jīng)手工計算得到歸一化復(fù)頻率下的低通傳遞函數(shù)HLP(S)為：
   
    對HLP(S)施行復(fù)頻率變換，利用復(fù)頻率變換公式SLP=1／SHP，得高通(歸一化復(fù)頻率)的傳遞函數(shù)：
   
    對歸一化復(fù)頻率的高通傳遞函數(shù)進行頻率的去歸一化，從而得出實際頻率下的高通傳遞函數(shù)。為此應(yīng)將HHP(S)中的S以s／ωp取代。從而得到實際的高通傳遞函數(shù)H(s)為：
   
    上面只給出了手工計算過程中的幾個關(guān)鍵結(jié)果，略去了冗長的手工計算過程，即便是通過查表進行計算，也只能對階數(shù)有限的濾波器減少設(shè)計時間，下面將用程序?qū)崿F(xiàn)濾波器傳遞函數(shù)的快速設(shè)計，此法對低階或高階的濾波器設(shè)計均適用。
2 濾波器的快速設(shè)計方法
    對文1．2中切比雪夫高通濾波器的傳遞函數(shù)在MATLAB下重新進行求解，并和手工計算結(jié)果進行比較，給出兩種在MATLAB環(huán)境下的實現(xiàn)方法。
2．1 濾波器設(shè)計的MATLAB實現(xiàn)
    將圖1設(shè)計流程程序化，首先將對高通濾波器的指標(biāo)要求利用實頻率變換轉(zhuǎn)為對低通濾波器的指標(biāo)要求，進而在MATLAB環(huán)境中求取低通濾波器傳遞函數(shù)即低通濾波器原型；再利用MATLAB在s域中的頻帶變換將低通原型變換為符合指標(biāo)要求的高通濾波器二階級聯(lián)傳遞函數(shù)形式，為下一步的電路綜合做好準(zhǔn)備，具體程序如下：

    如果少了這個變元，MATLAB會直接設(shè)計數(shù)字濾波器。該函數(shù)返回值為滿足技術(shù)指標(biāo)要求的濾波器的最小階數(shù)n和濾波器3 dB帶寬的截止頻率OmegaC。對切比雪夫I濾波器該函數(shù)選OmegaC為OmegaP的大小。

    GO=8．190 3e-001其結(jié)果與手工計算結(jié)果式(1)比較，可見精度很高。
    以下為頻率去歸一化后高通濾波器傳遞函數(shù)二階級聯(lián)形式系數(shù)輸出：

     以上與手工計算結(jié)果式(3)比較，可見精度也很高。在該程序中，tf2sos()和lp2hp()是關(guān)鍵的函數(shù)，它們分別完成了傳遞函數(shù)形式到級聯(lián)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和低通原型濾波器(歸一化)到高通濾波器(去歸一化)的設(shè)計。
2．2 濾波器快速設(shè)計的MATLAB實現(xiàn)
    CHEBY1切比雪夫濾波器完全設(shè)計函數(shù)將式(1)中涉及到的實頻率和復(fù)頻率變換都封裝成了函數(shù)，因此利用該函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)起來更為直觀和快捷，程序語句大為減少，具體程序如下：


    可以看到，該結(jié)果也和手工計算結(jié)果式(3)相差無幾而且較前一程序大為簡化，只用了4條語句即可實現(xiàn)。故采用完全設(shè)計函數(shù)將使設(shè)計效率更高。
    如前所述，一個高階濾波器的傳遞函數(shù)可以表示為多個雙二次函數(shù)乘積形式如(3)式，故高階濾波器電路結(jié)構(gòu)就是各雙二次函數(shù)對應(yīng)電路的級聯(lián)，現(xiàn)利用負反饋雙二次電路實現(xiàn)前面的切比雪夫高通濾波器，如圖2所示。

3 EDA仿真實驗結(jié)果
    由于EDA的仿真結(jié)果更接近于真實電路的測試結(jié)果，是一種電路硬件級的仿真，利用EDA工具對實現(xiàn)的高階濾波器電路進行性能測試仿真，來驗證設(shè)計結(jié)果是否達到技術(shù)指標(biāo)的要求，可以很好地協(xié)助MATLAB完成電路實現(xiàn)可行性的論證。在Pspice中進行AC分析后，啟動圖形后處理程序Probe并添加要顯示的波形函數(shù)，如圖3所示。從頻率響應(yīng)曲線可以看出，在阻帶邊界頻率ωs=500(rad／s)、(fs=80 Hz)和在通帶邊界頻率ωp=1 250(rad／s)、(fp=200 Hz)處的電壓衰減值均可以滿足濾波器指標(biāo)設(shè)計要求。此后還可利用EDA軟件中的容差分析功能為元器件進一步選擇合適的容差，提高設(shè)計的成品率和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語
    提出了不同于傳統(tǒng)有源模擬濾波器的設(shè)計方法，即不通過手工計算或查表而通過MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)濾波器傳遞函數(shù)或其二階級聯(lián)傳遞函數(shù)，之后再協(xié)同EDA軟件在電路器件模型上進一步驗證方案是否合理和可行的方法。由于在MATLAB程序中可方便地調(diào)用濾波器原型設(shè)計函數(shù)及頻率變換函數(shù)，通過選擇合適的設(shè)計參數(shù)，便可快速得到正確的設(shè)計結(jié)果。EDA環(huán)境下的仿真結(jié)果進一步驗證設(shè)計結(jié)果是否具有可行性并做進一步的完善。實驗結(jié)果證明，該方法大大提高了濾波器電路的設(shè)計效率，使得設(shè)計人員在設(shè)計時方向更加明確，硬件成本大大降低，產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短。但該法需要設(shè)計人員事先對所設(shè)計的濾波器原理及特性有較全面的了解，這樣才能在MATLAB程序中靈活的調(diào)用各種函數(shù)，做到游刃有余。