滤波器设计论文范文精选

作者：王贵虎王东虎单位：工业和信息化部电子第五研究所湖北广兴通信科技有限公司

LC滤波器工程设计时的几点考虑

1LC滤波器工程设计时几款常用的软件推荐

LC滤波器设计软件的种类繁多，早已步入寻常百姓人家，本文从使用简单、方便的角度来推荐几款免费设计软件。

a）AADE公司的FilterDesign它可以帮助工程师简单、快速地设计几乎是任何类型的集总参数的低通、高通、带通和带阻滤波器，同时也可以显示滤波器的插入损耗、回波损耗、群延迟和输入阻抗等。使用该滤波器设计软件时，当频率升高，内部的寄生耦合电抗和分布电抗就将破坏它的设计精度。由于寄生效应自然地降低了滤波器的中心频率，所以设计的频率比实际需要的频率要高一些。

b）RF-Filter.exe软件该软件使用非常简单，仅需选择所需用的函数类型、阶数、源阻抗和负载阻抗等参数就可设计出所需参数和仿真波形。用该软件设计一个输入输出阻抗为50Ω、7阶巴特沃斯、截止频率为200MHz的低通滤波器时的仿真波形和电路，用归一化参数计算和仿真设计的参数几乎完全一致，如图1所示。

c）FilterSolutions10.0滤波器设计软件该软件如图2所示。

d）Helical.exe螺旋滤波器设计软件该软件如图3所示。

摘要：传统的数字滤波器的设计过程复杂，计算工作量大，滤波特性调整困难，影响了它的应用。本文介绍了一种利用MATLAB信号处理工具箱（SignalProcessingToolbox）快速有效的设计由软件组成的常规数字滤波器的设计方法。给出了使用MATLAB语言进行程序设计和利用信号处理工具箱的FDATool工具进行界面设计的详细步骤。利用MATLAB设计滤波器，可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数，直观简便，极大的减轻了工作量，有利于滤波器设计的最优化。本文还介绍了如何利用MATLAB环境下的仿真软件Simulink对所设计的滤波器进行模拟仿真。

关键词：数字滤波器MATLABFIRIIR

引言：

在电力系统微机保护和二次控制中，很多信号的处理与分析都是基于对正弦基波和某些整次谐波的分析，而系统电压电流信号（尤其是故障瞬变过程）中混有各种复杂成分，所以滤波器一直是电力系统二次装置的关键部件【1】。目前微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。利用MATLAB信号处理工具箱（SignalProcessingToolbox）可以快速有效的实现数字滤波器的设计与仿真。

1数字滤波器及传统设计方法

数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列，并在转化过程中，使信号按预定的形式变化。数字滤波器有多种分类，根据数字滤波器冲激响应的时域特征，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。

IIR数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配。所以IIR滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。FIR数字滤波器的单位脉冲响应是有限长序列。它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数问题，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。

在对滤波器实际设计时，整个过程的运算量是很大的。例如利用窗函数法【2】设计M阶FIR低通滤波器时，首先要根据（1）式计算出理想低通滤波器的单位冲激响应序列，然后根据（2）式计算出M个滤波器系数。当滤波器阶数比较高时，计算量比较大，设计过程中改变参数或滤波器类型时都要重新计算。

摘要：探讨了一种并联有源电力滤波器的交流侧滤波电感优化设计的方法；并应用于一台15kVA并联有源电力滤波器的实验模型中，进行了实验验证。

关键词：谐波；有源电力滤波器；滤波电感设计

引言

并联有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，近年来，有源电力滤波器的理论研究和应用均取得了较大的成功。对其主电路（VSI）参数的设计也进行了许多探讨[1][2][3]，但是，目前交流侧滤波电感还没有十分有效的设计方法，然而该电感对有源滤波器的补偿性能十分关键[2]。本文通过分析有源电力滤波器的交流侧滤波电感对电流补偿性能的影响，在满足一定效率的条件下，探讨了该电感的优化设计方法，仿真和实验初步表明该方法是有效的。

图1

1三相四线并联型有源电力滤波器的结构与工作原理

图1为三相四线制并联型有源电力滤波器的结构。主电路采用电容中点式的电压型逆变器。电流跟踪控制方式采用滞环控制。

以图2的单相控制为例，分析滞环控制PWM调制方式实现电流跟踪的原理。在该控制方式中，指令电流计算电路产生的指令信号ic＊与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路的PWM的信号，此信号再通过死区和驱动控制电路，用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件，从而实现电流ic的控制。

1接地电容效果分析

在电路中电容C容抗值Zc=1/2πfC，且容抗随着频率f的增大而减小。因此滤波器电路中一个恰当的接地电容C，可使交流信号中的高频成分通过电容落地，而低频成分可以几乎无损失通过，故将小电容接地等同于设计一阶低通滤波器。在滤波器电路中，多处电容接地设计等同于多个低通滤波器与原电路组成低通滤波器网络，在提高截止频率附近幅频特性的同时会较好抑制高频干扰，因而接地优化在理论上是可行的。

2滤波器设计仿真

根据实践需要，设计满足上级输出电路阻抗为100Ω、下级输入电路阻抗为50Ω、截止频率为5MHz的5阶巴特沃斯低通滤波器。普通差分滤波器由于其极点与单端滤波器极点相同，故具有相同的传递函数，因而依据单端滤波器配置的差分结构滤波器能够满足指标要求。在差分结构形式上进行接地优化后，由于接地电容具有低通滤波功能，不同电容值C会导致不同频段幅频响应迅速衰减。图2～图5分别为普通差分滤波器与多处接地差分滤波器的配置电路与幅频特性曲线。由仿真结果可得，截止频率为5MHz的多处接地差分滤波器幅频响应在9MHz内迅速衰减至-50dB，而后在10MHz处上升为-30dB；而普通滤波器幅频特性在9MHz处为-20dB，在10MHz处为-22dB。因此，接地优化滤波器幅频特性曲线总于普通差分滤波器幅频特性曲线形成的包络内，故多处接地达到了过渡带变窄与抑制高频的效果，因而接地优化电路设计通过仿真是可行的。

3实物验证与分析

由于实际电路与理想条件有一定差异，可能导致实际效果与仿真结果不符，为验证接地优化差分滤波器，在实际电路中能够提高截止频率附近幅频特性与抑制高频干扰的能力，将上一节仿真通过的普通差分滤波器与接地差分滤波器制作成PCB电路，通过矢量网络分析仪测试其频率特性，结果如图6～图9所示。由图可得，多处接地差分滤波器电路中，由于接地电容相当于一阶低通滤波器，所以由接地电容与普通差分滤波器组成低通滤波网络能够大幅提高滤波器截止频率附近幅频特性。同时，由于容抗Zc=1/2πfC随f增大而减小，在高频时几乎为零，高频信号可以通过电容落地，故其在高频抑制能力上大大优于普通滤波器。因而接地优化在实际电路应用中是真实有效的，可以应用于抑制高频信号的低通滤波器中。

4结论

多处接地差分形式滤波器，由于其接地电容相当于低通滤波器，故只要其容抗值Zc=1/2πfC能够小于等于电容单独作为一阶低通滤波器时截止频率要求的容抗值，就可以大大提高滤波器截止频率附近幅频特性与抗高频干扰的性能,这为具有差分结构的DAC成型滤波器的设计提供理论指导作用。

1引言

在对动力蓄电池组（以下简称电池组）进行充放电时，要求其充放电电流纹波小，在短时间内达到稳定，这样才能保护电池，延长电池的使用寿命[1,2]。而电池组具有内阻小，本身具有反电动势等特点，较小的电压波动也会引起大的电流纹波。充电机使用电压型整流器充电时，即使整流器输出的电压纹波含量能够达到要求，输入电池组的充电电流也会有较大的纹波。假设充电器输出的电压为U0，电池组反电动势为E0，内阻为r0（r0<<1Ω且电池比容量越大，内阻越小[3]），则电池组的充电电流I0为I0=(U0?E0)/r0。例如，一组200V蓄电池组，内阻为0.3Ω，充电装置输出电压的谐波含量为0.5%那么，输出电流的总谐波含量为：(200×0.5%)÷0.3A=3.33A，若此时要求充电电流为30A，则输出电流的谐波含量11.1%。此外，由于电压型PW整流器是升压电路，因此用于电池充电时需要另加斩波电路降压，增加了系统的复杂性和开关损耗。电流型PWM整流器是降压电路，可以输出恒定的直流电流，适用于电池组充电，但是受直流侧储能电感限制，难以大容量化，这限制了它在包括电池组充电等领域的应用[4]。为了限制输出电流谐波含量，必须在整流器的直流侧设置滤波器，以减少充电电流的纹波比，延长电池组的使用寿命。文献[5]针对切比雪夫滤波器在阻带内的衰减有较快的增长速率的优点，讨论了切比雪夫滤波器在相控整流直流滤波器中的应用，而且避免了普通的滤波器级联造成谐振的可能，但是并未针对其他类型滤波器在此类应用展开讨论和比较。而本文通过大量的研究发现，当截止频率处对应衰减较大时，虽然巴特沃斯滤波器比切比雪夫型需要更多的阶数，但是其响应速度和滤波效果在一定条件下却优于切比雪夫滤波器，而这一优点在滤波器所需的阶数较小（如3阶时）尤其突出，因而更加符合电流型PWM直流滤波器设计的需要。设计滤波器的主要原则是频率响应和响应时间。滤波器按照两端联接系统阻抗的匹配情况，可分为匹配型滤波器和非匹配型滤波器。平时文献涉及的滤波器多是匹配型滤波器，而二者传输特性仅相差一个固定的平坦衰减值。因此理论分析时，为了不失一般性，本文首先以匹配性滤波器设计为例以频率响应和响应时间为主要依据，对这两种滤波器的滤波特性进行综合的比较。然后根据我国配电网系统阻抗和电池组阻抗之间的关系，设计了非匹配型巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的参数并进行了仿真和实验的验证。

2巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器比较

按照低通滤波器的衰减特性，可以分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、考尔参数滤波器和一般参数滤波器。后两类滤波器要求元件严格符合设计值，而且为了达到设计的目的所需的阶数都较高这为滤波器的实现带来了困难[6]，因此本文仅针对巴特沃斯和切比雪夫滤波器的输出特性进行讨论。

2.1巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器简介巴特沃斯滤波器又称最平响应滤波器，在靠近零频率（直流）处具有一个最平通带，其平坦度随着阶数的增大而增大。趋向阻带时，衰减单调增大，在ω=∞上出现无限大值。其衰减特性如图1a所示。当截止频率为ωp时，其传输函数的模平方和衰减分别为切比雪夫滤波器的特点是，通带内衰减在零值和所规定的上限值之间做等起伏变化；阻带内衰减单调增大，在ω=∞上出现无限大值。其传输函数的模平方和衰减分别为

2.2相同衰减特性时阶数的确定首先研究一下当Ω很大时，巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的衰减特性。由式（2），若Ω1，则巴特沃斯滤波器衰减近似为由上式可知切比雪夫滤波器的衰减特性渐进于由起始值6(n?1)+20lgε开始，按每倍频程6ndB的速率上升的直线。且假设通带最大衰减为Ap，两滤波器有共同的表达式p20.1101Aε=?巴特沃斯滤波器阶数选取公式

3PWM整流器直流滤波器分析

3.1滤波器阶数的选取当整流器为电流源型PWM整流器时，其输出充电电流的谐波含量与整流变压器输出电压U0、调制比m、直流侧储能电感L、电池内阻r0以及电池端电压E0有关，当U0、r0和E0已定，PWM整流器输出电流谐波随着m的增大而减小。考虑极端的情况，假设oU/3=150V，电池端电压为E0=48V（根据目前实验室已有的条件，模拟4节12V/150A的串联电池组），r0=0.3Ω，直流侧储能电感为3mH，则按照10h率充电的原则，调制比应设在0.23左右，输出电流谐波含量为14.5%。因为PWM整流器输出谐波主要为高次谐波且与开关频率k有关[7]。按照2.1.1节方法，重新设计滤波器阶数，则巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的阶数都为3。

摘要：本文主要讨论了广泛介绍器应用于模拟电路中的切比雪夫滤波器LC滤波器的设计方法。基于上述讨论，利用数学理论方法与ANSOFT DESIGNER仿真设计工具分别设计了一个高通切比雪夫滤波器，并对两种设计方法进行了测试分析，通过具体实现验证了设计的合理性。

关键词：理论；仿真；滤波器；设计

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0171-03

Abstract：The paper mainly discuss the design method of Chebyshev and LC filter that abroadly applied at analog circuit ，we design a High-pass filter using the method of mathematical theory and design instrument of ANSOFT DESIGNER based on the theory above ， and analyze the two design methods.

Key Words：Theory；Simulate；Filter ；Design

滤波器是许多模拟射频电路与系统的设计问题的中心。滤波器可以被用来区分不同频率的信号，实现各种模拟信号的处理过程，因而在现代模拟射频电路与系统中得到了广泛的应用。

滤波器按照不同的标准可以有不同的分类，所有的分类方法都是依照个人应用需求而定的。在目前的电路系统中，由于LC滤波器具有结构简单，造价低廉，性能稳定的优点，因而得到了广泛应用。但是，因为LC滤波器是基于集总元件而构建的，所以在设计与调试过程中存在不少的困难，本文是以滤波器设计理论为依据，用ANSOFT DESIGNER设计工具为平台，设计了一个高通的切比雪夫滤波器，并就加以比较验证。

使用Ansoft Designer进行的滤波器设计[4]，得到的切比雪夫滤波器电路如图2（与运算的电路参数相比，电感与电容值只有很小的差别，可以说基本上是一致的，后面的测试分析也说明了这一点）。

摘　要　数字信号处理是一门理论性很强的课程，针对教学过程中学生对知识点理解困难、学习枯燥无味等问题，将Matlab软件引入课堂教学中，以FIR滤波器的窗函数设计法为教学实例，将相关知识点用图形化演示直观地表示出来。在实验教学中，以Matlab软件为平台，分别按照窗函数设计法的原理编程设计滤波器，采用Matlab信号处理工具箱提供的fir1函数设计滤波器，以及调用滤波器设计和分析工具箱提供的图形用户界面设计滤波器。教学效果表明，将Matlab引入到教学过程中，不仅可以使学生直观地领会和深入地理解数字信号处理的理论知识和分析方法，还可以提高学生的实际动手能力以及分析解决问题的能力，有效提高了教学质量。

关键词　数字信号处理　FIR滤波器　Matlab

0 引言

数字信号处理是电子信息类专业的基础课程。我们将Matlab引入课堂教学中，将抽象的理论以易于理解的可视化形式加以演示，并结合实验教学的模式，帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理和基本分析方法，发挥学生动手实践的主动性和创造性。

Matlab软件以矩阵运算为基础，其功能强大、简单易学、编程效率高。特别是其具有的数字信号处理工具箱，涵盖了经典信号处理理论的大部分内容，很多常用的算法都有对应的函数，可以方便地进行信号分析、处理和设计。

Matlab在教学中的应用主要体现在二个方面，①一是教师在讲解基本概念的同时，可以利用Matlab演示相应知识点的对应结果，能够更加生动直观地揭示其所包含的物理含义；二是让学生利用Matlab软件进行实验，深化学生对基本原理的理解，提高学生应用软件工具的能力。

本文以FIR滤波器的窗函数设计法为教学实例，对Matlab在“数字信号处理”课程中的应用加以探讨。

1 Matlab在课堂教学中的应用

摘 要：数字信号系统在数字电子电路等许多领域中的应用十分广泛，设计FIR滤波器时虽然需要的阶数较高，成本高，但它具有很好的线性相位特性，稳定性好，而且信号延迟可以容易调节。文章以FIR数字滤波器的原理结构为基础，先对FIR数字滤波器进行系数设置，进一步借助Quartus II，将整个FIR数字滤波器分为：寄存器、加法器、减法器、乘法器四个模块。在对各个模块进行仿真得出的结果符合设计要求的前提下，再对FIR数字滤波器的整体电路进行仿真。

关键词：FIR数字滤波器；现场可编程门阵列（FPGA）；Quartus II；硬件描述语言（VHDL）

1 概述

数字滤波器具有很好的幅度和线性相位特性，在幅度和线性上对信号处理有严格的要求，因此数字滤波器可以做到模拟滤波器所无法克服的温度漂移、电压漂移和噪声等问题[1]，利用数字滤波器处理信号时就能做得更完美。比如可以降低信号的噪声、提高信噪比以及可以对信号得频谱进行分析等。

硬件实现的设计方法有以下三种：（1）使用单片通用数字滤波器集成电路实现（2）采用 DSP 器件实现（3）采用可编程逻辑器件（如DSP、ASIC、FPGA 等）实现。DSP 因为要按顺序依次执行所涉及的各个部分，而降低它的设计速度；用ASIC 方法设计时需要的成本又较高；基于FPGA的设计能较好地避免DSP和ASIC设计的缺点；并且利用 FPGA设计DSP 系统时，同时具备 DSP 芯片的灵活性和实时性，此外，FPGA 在许多数字信号处理领域中获得了成功的应用[2]。所以用FPGA 实现数字滤波是一个较好的选择。利用硬件描述语言（VHDL）采用自顶向下的数字系统设计方法，分别给出滤波器的各模块结构，并对各模块扮演的功能以及数字滤波器的关键部分进行了描述。最后在Altera公司推出的QuartusII8.0软件平台上，利用Cyclone系列器件对设计进行综合和仿真，并得出相应的结果。

2 FIR数字滤波器的原理结构

数字滤波器主要是完成数字信号滤波处理的功能，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统[3]。数字滤波器的滤波功能是通过选定特定频率范围来实现的，其他范围外的频率信号（如噪声）将被滤除，所以可以通过数字滤波器减少对有用信号的干扰。

FIR数字滤波器由于具有线性相位响应的特性，所以在处理信号时可以避免相位失真的负面的影响，保持信号的完整性，从而得到较好的波形输出。而线性相位体现在时域中仅仅是h（n）在时间上的延迟，这个特点在图像信号处理、数据传输等波形传递系统中是非常重要的[4]。所以，FIR滤波器的线性相位特性在数字信号处理过程中带来了很大的好处。

摘要：介绍了利用MATLAB快速有效地设计无限长冲激响应数字滤波器的方法。给出了使用MATLAB 语言进行程序设计和FDATool工具进行界面设计的详细步骤。介绍了如何利用MATLAB环境下的仿真软件Simulink对所设计的滤波器进行模拟仿真。

关键词：数字滤波器；MATLAB；无限长冲激响应

中图分类号：TN713 TN702文献标识码： A文章编号：1009-3044(2008)23-1072-03

Design and Simulation of IIR Filter Based onMATLAB

WANG Zhan-zhong

(Department of Computer Science and Information Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China)

Abstract: MATLAB-based methods are introduced to design the infinite impulse response (IIR) filter effectively. To design the IIR filter , it can be programmed by MATLAB language or FDATool tool. Detailed steps of theseways are given. With the Simulink of MATLAB, the simulation for designated filter is also introduced.

Key words: digital filter;MATLAB;IIR

中图分类号： TN623 文献标识码：A

摘要：本文通过比较波导滤波器设计在太赫兹波段与微波波段的区别，阐述太赫兹滤波器的设计要点。结合传统双通带滤波器设计理论，提出了几种适合太赫兹频段的波导双通带滤波器结构。

关键字：太赫兹双通带滤波器波导滤波器

1 引言

太赫兹有很多优点：高数据传输率、优秀的方向性、更高的安全性、较低的散射、更高的透射比等等。太赫兹通信技术已经成为许多发达国家的研究重点。对于太赫兹通信系统而言，波导是实现诸如滤波器，功分器，耦合器等无源器件的良好媒介。本文研究的太赫兹波导滤波器作为太赫兹通信系统的重要组成部分，有着非常重要的研究意义。

太赫兹技术通过这几年的飞速发展，利用光子晶体或者采用MEMS加工技术都成功设计出了许多太赫兹滤波器，太赫兹通信系统也应运而生。使用双通带滤波器可以配合多通带收发机以及多通带天线，组成多通带的通信系统，相比于传统双通带通信系统，它的体积大大降低，可靠性提高，成本降低。太赫兹双通带滤波器的研究是一项有着推动意义的工作。

2 太赫兹滤波器设计关键

太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）波泛指频率在0.1～10THz范围波段内的电磁波，介于微波与远红外光之间，其长波段与亚毫米波重合，短波段与红外线重合，所以其既有一些微波的性质，也符合一些微观量子论的光学特征。太赫兹领域的研究也从一开始就分成了电学、光学的两个方向。本文是从电磁学的角度，对太赫兹波段中频率较低波长较长的波段（即频率范围100-1000GHz的波段）进行分析的。