音频信号有源带通滤波器设计与电路仿真

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 音频信号有源带通滤波器设计与电 路仿真 摘要：结合核电站的松脱部件监 测系统（Loose Parts Monitoring System，以下简称 LPMS）的信号调理 设备，根据加速计输出信号的特征，采 用了一种简单、快捷、准确的滤波软件 （FilterLab 2.0） ，设计出了一种频率范 围在（1KHz 10KHz ）的高性能带通滤 波器，并采用电路仿真软件（NI Multisim 10）对滤波电路进行了仿真验 证，仿真结果符合设计需求，具备良好 的滤波效果，适用于音频信号的滤波。 中国论文网 /8/view-12888093.htm 关键词：音频信号 带通滤波器 巴特沃斯 运算放大器 仿真分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号：TP391.9 文献标识 码：A 文章编号：1007-9416（2016） 10-0185-03 Abstract：Combined with signal conditioning equipment of Loose Parts Monitoring System （abbreviation： LPMS） of nuclear power stations and according to features of output signals of accelerometers， this article adopted a sort of simple， quick and accurate filtering software（FilterLab 2.0） ， designed a sort of high-performance band- pass filter with frequency range 1KHz- 10KHz and adopted a circuit simulation software（NI Multisim 10）to conduct simulation verification on filtering circuit. The simulation result met the design demand， had fine filter effect and suited the filtering of audio signals. Key Words：audio signals； band-pass filter； Butterworth； operational amplifier； simulation -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 analysis 核反应堆压力容器内部包括堆内 构件和燃料组件，堆内构件主要由压紧 组件、吊篮组件、堆芯下支承组件等组 成，各组件中的部件和零件大部分通过 螺钉、销钉等连接。尽管这些连接件在 设计中采取了防松、防脱措施，但在反 应堆长期连续运行条件下，因水流冲击 和流致振动的影响，可能会使某些零件 产生松动甚至脱落，从而在一回路中形 成松脱部件。设备发生部件松动，将使 设备完整性受到破坏，影响其正常工作， 松动部件脱落后，将随流道运动，撞击 设备和器壁，使设备和器壁受损，严重 时导致反应堆不能正常运行，在国外一 些核电厂中曾多次发生该类严重事故， 为了能在很大程度上降低、避免该类事 故的发生1，因此在监测中要对松脱部 件撞击波进行有效识别，撞击波是由各 种幅度、频率的正弦波信号叠加组合而 成的音频信号，频率范围在 1KHz10KHz，幅度范围 10V，为了 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 精确实时的采集撞击波信号，需要将前 端信号做隔离放大、滤波、信号跟随等 处理，以消除结构振动、结构材料噪声、 水力、摩擦等背景干扰噪声信号对撞击 波信号带来的影响。本文结合松脱部件 监测系统的信号调理设备，提出了一种 可行的滤波电路设计方案。 1 LPMS 系统滤波模块方案设计 松脱部件监测系统主要对压力容 器、蒸汽发生器、主管道的松脱部件进 行实时监测，出现松脱部件时，松脱部 件与设备器壁或内部构件发生碰撞，产 生“弯曲波”信号，弯曲波信号频率基本 上都在 1KHz10KHz 范围内，幅度范 围10V 内，信号沿器壁和管壁传播， 利用安装在器壁上的加速度计来探测这 种声波信号，为了有效准确的探测出这 种信号，信号进入信号调理设备后，应 对弯曲波做带通滤波处理。 信号调理模块硬件框图如图 1。 常用的滤波器设计有以下三种方法： （1）数字滤波器有更高的精度、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 可靠性、但滤波电路涉及模数转换器 （ADC） 、数模转换器（DAC） 、存 酒以及数字信号处理（DSP）芯片， 电路成本大大提升，还涉及大量的浮点 运算，需要占用 DSP 大量的资源； （2）采用现有的滤波器芯片来 搭建滤波电路，是一种比较快捷、可靠 的方法，但目前常用的滤波器芯片都是 5V 供电，无法实现幅度范围为10V 的信号滤波； （3）根据阻带衰减速率、滤波 器阶数、电路的具体形式、传递函数建 立方程组，求出电路中元件的具体参数， 该方法复杂繁琐，精度不高，性能指标 不尽如人意2。因此，借助 Microchip 公司的滤波器设计软件 FilterLab 2.0 来 完成音频信号带通滤波器设计是一种切 实可行的方法。 2 有源带通滤波器设计 FilterLab 2.0 是一款有源滤波器 设计软件，可以设计低通、高通、带通 滤波器，有源滤波器由无源器件 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 （R、 C）和有源器件（一般用集成运 算放大器）组成，并提供了巴特沃斯 （Butterworth ） ，切比雪夫 （Chebyshey ）及贝塞尔（ Bessel）三种 滤波器类型可选，Butterworth 型滤波 器：通频带内电压增益最稳定，转折区 斜率较陡；Chebyshey 型滤波器：通频 带内电压增益波动较大，转折区斜率最 陡；Bessel 型滤波器：通频带内电压增 益有较小波动，转折区斜率平缓3。 启动 FilterLab 软件，输入设计滤 波器的类型、参数后，软件会自动生成 电路原理图和元件参数，并对电路做幅 频特性、相频特性分析。软件给出的滤 波电路使用了两种最简单的电路模式， SallenKey（二阶压控电压源）和 MFB（二阶无限增益多路反馈） ，供用 户选用4。 音频信号带通滤波 器的设计指标： （1）信号在整个通带内信号衰 减不大于 0.5dB； （2）边沿频率（频率为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 1KHz、10KHz）衰减不大于 1.5dB； （3）阻带衰减 40dB 以上。 根据设计指标，设计时滤波器类 型选用 Butterworth 型滤波器，电路模 式选用 SallenKey 电路，软件给出的滤 波电路中的电容可以调整，电阻随电容 的改变，自动生成，运算放大器选用低 功耗、低噪声的 OP482G 芯片， OP482G 芯片是15V 供电，内部集成 4 个运算放大器，因此可以级联出比较优 化的八阶滤波电路，信号先通过低通滤 波器（边沿频率 10KHz，截止频率为 20KHz） ，幅频、相频特性如图 2，再通 过高通滤波器（边沿频率 1KHz，截止 频率为 500Hz） ，幅频、相频特性如图 3，从以上两图可以看出设计的滤波器 满足设计指标，从而形成频率范围为 1KHz10KHz 的带通滤波器。 3 Multisim10 软件平台下带通滤 波器仿真 Multisim10 是美国 NI 公司推出 的一种电子电路仿真软件，该软件基于 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 PC 平台，已被广泛应用于电子电路分 析，设计和仿真等工作中。Multisim10 提供了丰富的元器件库，具备电源、信 号源库、基本器件库、二极管库、晶体 管库、模拟集成电路库；同时还具备强 大的虚拟仪器仪表库，用户能方便的调 用数字万用表、示波器、函数信号发生 器、瓦特表、扫描仪、频谱分析仪等虚 拟分析仪器；此外 Multisim10 提供了 直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、 失真分析、参数扫描分析等，能基本满 足电子电路设计和分析的要求5-6。 在 Multisim 10 平台下，根据 FilterLab 2.0 软件提供的低通滤波器、 高通滤波器原理图，选定元器件模型并 确定电路中各元器件的参数，电阻的误 差设定为 0.1%，电容的误差设定为 5%，连接好电路，如图 4，使用相应的 函数信号发生器、双踪示波器、波特图 仪进行在线测量，然后对照电路设计的 需求，观察仿真结果是否与设计需求一 致。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 将图 4 所示电路分别输入频率为 5KHz、20KHz，峰值 5V 的正弦波信号， 检查无误后，点击仿真按钮，通过双踪 示波器观察到的波形如图 5、6，红色波 形是输入的正弦波信号，黄色波形是滤 波后的输出信号。当输入信号频率为 5KHz 时，信号处于通带内的中心频率， 根据设计指标，输出信号衰减不能超过 0.5dB，且波形不失真，从图 5、7 的仿 真测试结果可以看出，信号衰减 0.021dB，输出信号与输入信号幅度误 差 0.24%，波形不失真，滤波性能良好， 满足设计需求；当输入信号为 20KHz 时，20KHz 处于阻带，根据设计指标， 输出信号衰减应达到 40dB，从图 6、7 的仿真测试结果可以看出，信号衰减 43dB，输入信号的幅度被衰减了 141 倍， 黄色的输出波形的幅度已经很小了，峰 值约 36mV，图 6 上几乎看不出输出波 形，处于阻带频率的信号得到了很大程 度的衰减，同样满足设计需求。 为了直观观察整个频段内不同频 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 率信号的仿真结果、特征、趋势，可以 调用波特图仪扫频测量得到波特图，如 图 7。在整个频段上观察信号的幅频、 相频特性，与 FilterLab 2.0 的计算结果 一致，进一步验证了设计的正确性。 4 结语 采用 FilterLab 2.0 设计滤波器是 一种快捷、高效的方法，软件能快速给 出滤波电路图、幅频相频特性图以及电 阻、电容器件的参数值，但软件给出的 电子元器件的值是理想化的，没有考虑 电阻、电容随温度变化对滤波性能的影 响，为了进一步确保设计的正确性