切比雪夫滤波器设计和仿真

1切比雪夫滤波器设计和仿真摘要：滤波器是一种常见的电路形式，在电子线路中有广泛的应用。滤波器的设计在这些领域中是必不可缺的。滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或衰减）无用频率信号的电子电路或装置。按照不同的频域或时域特性要求，可分巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫型（Chebyshev）、贝塞尔型（Bessel)椭圆型（Elliptic），这些都是属于模拟低通滤波器。切比雪夫型滤波器的特点是通带内增益有起伏。本文介绍的是借助Multisim10仿真实现二阶切比雪夫低通有源滤波器的设计。关键词：滤波器；频域或时域特性；切比雪夫；Multisim10ChebyshevLPF'sdesignandemulationAbstrac：Filterwouldcompletelyeliminatesignalsabovethecutofffrequency,andperfectlypasssignalsbelowthecutofffrequency.Inrealfilters,variousrade-offsaremadetogetoptimumperformanceforagivenapplication.TherearemanybooksthatprovideinformationonpopularfiltertypesliketheButterworth,Bessel,andChebyshevfilters,justtonamefew.Chebyshevfiltersaredesignedtohaverippleinthepass-band,butsteeperrolloffafterthecutofffrequency.Cutofffrequencyisdefinedasthefrequencyatwhichtheresponsefallsbelowtherippleband.Foragivenfilterorder,asteepercutoffcanbeachievedbyallowingmorepass-bandripple.ThetransientresponseofaChebyshevfiltertoapulseinputshowsmoreovershootandringingthanaButterworthfilter.KeyWords:Filter；popularfiltertypes；Chebyshevfunction；Multisim10引言随着现代科学技术的发展，滤波技术在通信、测试、信号处理、数据采集和实时控制等领域都得到了广泛的应用。滤波器的设计在这些领域中是必不可缺的，有时甚至是至关重要的环节。比如说，在通信领域，常常利用种滤波器来抑制噪声，去除干扰，以提高信噪比。随着电子计算机的普及和材料科学的进步，各种各样的滤波器的辅助设计软件也得以不断推出，设计人员可以选择高功效的滤波2器芯片及设计软件而获得所需要的电路性能。本文所介绍的二阶切比雪夫滤波器。首先熟悉二阶有源滤波器的幅频特性，然后掌握二阶有源滤波器的快速设计方法，用Multisim10进行电路仿真，观察其幅频特性。本文介绍的切比雪夫滤波器的阻带衰减特性则较巴特沃斯滤波器有所改善。与椭圆型滤波器相比具有较平的通带幅频特性。切比雪夫滤波器带内有起伏，但过渡带比较陡峭。本课题的任务：本课题的任务设计并仿真一个运用Multisim10实现切比雪夫滤波器，该滤波器具备以下条件：1.功能要求：根据给定的参数，应用Multisim语言实现切比雪夫低通滤波器的设计。2.参数要求：频率0Hz～3.4KHz，通带波纹1dB3.仿真要求：实现3dB带宽为3400Hz的切比雪夫低通滤波器。1.滤波器1.1滤波器的功能1.2滤波器的分类2.无源滤波电路及其幅频特性1.无源滤波电路如图1。图1无源滤波器及它的幅频特性可以得出电压放大倍数为：0ioj11ffUUAu3——带通截止频率有对数幅频特性，具有“低通”的特性。电路缺点：电压放大倍数低，只有1，且带负载能力差。解决方法：利用集成运放和RC电路组成有源低通滤波器。3.有源滤波电路及其特性在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻，低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，这样即构成有源滤波电路，如图下图所示。表明：在集成运放功耗允许的情况下，负载发生变化时，U0总是随电压差Up而变，放大倍数的表达式不变，频率特性也不变。即负载不影响滤波特性。图2有源滤波电路3.1有源低通滤波器特性3.2一阶低通有源滤波器3.3二阶低通有源滤波器图3一阶低通有源滤波器RCf210fpfjAvpjwRcVVVVvAii11104二阶有源低通滤波电路4.切比雪夫滤波器4.1切比雪夫滤波的简介4.2切比雪夫滤波有关参数的确定方法c是通带边界频率，一般是预先给定的。是与通带波动有关的一个参数，通带波动表示成minmax2min2maxlg20lg10jHjHjHjHaaaa式中，1maxjHa，表示通带幅度响应的最大值，而2min11jHa故21lg10因而110102可以看出，给定通带波纹值dB后，就能求得2。这里应注意，通带衰减值不一定是3dB，也可以是其他值，随给定的值而定，例如dB1.0等。阶数N对滤波器特性有极大的影响，N越大，逼近特性越好，但是相应的滤波器结构也越复杂。N的值是根据阻带的边界条件来确定的，当时，221AjHa,即222111AVcrN从而12AVcrN5将此条件代入xVN=cosh(Narcoshx),1x,得到crarAarNcosh1cosh2因此，要求阻带边界频率处的衰减越大，也就是过渡带内幅频特性越陡，则需用的阶数N越高。5.设计思路6.设计步骤二阶无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器电路图7.Multisim10仿真7.1Multisim10概述7.2绘制原图7.3用波特图示仪观察其幅频特性并记录6结论本文从滤波器的基本要点出发，由无源滤波器到有源滤波器，有源低通滤波器，一阶有源低通、二阶有源低通，循序渐进，观察它们的滤波器特性，最后引入到切比雪夫滤波器的设计。通过公式的运用和查表计算出电路的参数，并画出了电路图，最终设计出了二阶切比雪夫低通滤波器。利用了Multisim10仿真观察了它的幅频特性，了解了它的特点。通过次论文的写作让我对滤波器的相关知识有了进一步的认识，同时也学会了Multisim10软件的操作。参考文献[1]彭磊，张建平．滤波技术[M]．北京：机械工业出版，1998：227．[2]王宇航，姚育等．滤波器的分析及应用[J]．电机与控制学报，2003，32(7)：673．[3]胡汉起．无源滤波器应用[M]．北京：机械工业出版社，1991：184．[4]杨广，梁瑞生，罗仁华．多通道窄带滤波器设计[J]．中国激光，2001，19(4)：143．7[5]江友华，唐忠．混合有源滤波器多目标优化设计[J]．物理学报，2001，19（4）：143．[6]王一凡，罗正祥等．广义切比雪夫滤波器等效电路参数的提取[J]．航空材料学报，2001，21(2)：1～5．[7]吴镇扬．数字信号处理[M]．北京：高等教育出版社，2004：110．[8]王启文，王晓霞．切比雪夫频率特性显示仪[J]．物理学报，2003，47(2)：183．[9]王洪刚，张志美，乔双．切比雪夫滤波器研究[M]．吉林：吉林出版社，2005：180．[10]赵威威．基于NIMultisim10的仿真研究[J]．湖南师大工学院学报，200（6）：21．