濾波器：對輸入信號中某特定頻率或頻帶成分具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)。濾波器廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、計算和測量技術(shù)等領(lǐng)域。隨著新型元器件的使用和設(shè)計思想的更新，濾波器的發(fā)展也日新月異。迄今為止，濾波器可以分為無源LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機(jī)械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、RC有源濾波器和開關(guān)電容濾波器等。這些濾波器有各自的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍，可使用于不同濾段和Q值范圍。隨著高增益運(yùn)算放大器問世RC有源濾波器也跟著迅速發(fā)展起來，由于其集成運(yùn)放開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又低，因而構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

　　有源電力濾波器（APF）：是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。

　  2 通用有源濾波器UAF42

    UAF42的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    從圖中可以看出，UAF42的狀態(tài)可調(diào)（State-variable）結(jié)構(gòu)使得它的應(yīng)用十分方便。它有三個輸出引腳，這些引腳的輸出是把輸入信號經(jīng)過低通、帶通和高通濾波后的信號。此外，UAF42片內(nèi)還集成了一個輔助運(yùn)放，該運(yùn)放可作為通用的運(yùn)放，也可以將UAF42的低通、高通和帶通等輸出信號進(jìn)行信號處理。N階濾波器傳遞函數(shù)的一般式為：

    式中的m應(yīng)小于或等于n。需要說明的是：直接實現(xiàn)三階以上傳遞函數(shù)的電路設(shè)計是很困難的。通常需要將高階傳遞函數(shù)分解為若干個低階（一階、二階、多三階）傳遞函數(shù)的乘積形式，如：

    Gn(S)=[B1(s)B2(s)…Bk(s)]/[A1(s)A2(s)…Ak(s)]=G1(s)G2(B)…Gk(s)

   各基本節(jié)傳遞函數(shù)設(shè)計的獨(dú)立性,具體過程如圖2所示。

   在工作中設(shè)計人員根據(jù)對濾波器的通帶、阻帶或過濾帶的頻率范圍及通帶增益和衰減特性要求，設(shè)計其某種類型的n階傳遞函數(shù)。

   再按各個低階傳遞函數(shù)的設(shè)計要求來設(shè)計和計算有源濾波器電路基本節(jié)。這一過程包括設(shè)計和計算相應(yīng)的元件參數(shù)值、根據(jù)設(shè)計和計算結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的元件參數(shù)值和運(yùn)算放大器、組成各個低階濾波器的電路，并將它們級聯(lián)起來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和性能測試等工作。在上述設(shè)計過程中，有源濾波器設(shè)計的關(guān)鍵是基本節(jié)電路的設(shè)計。其基本節(jié)電路一般為一階或二階電路，一階電路較為簡單，二階電路可由R、C和運(yùn)放所構(gòu)成的電路來實現(xiàn)，但是采用UAF42則更方便。因而如果設(shè)計人員自己用運(yùn)放的R、C構(gòu)成的二階電路，則比較煩瑣計算電路中各個元件參數(shù)可以由UAF42減輕設(shè)計人員的工作量。對UAF42來說，由BB公司提供的一個CAD軟件-FILTER42簡化了基于UFA42的設(shè)計。設(shè)計人員只要根據(jù)基本節(jié)電路的要求將參數(shù)輸入到FILTER42中，該軟件就可以計算出相應(yīng)的元件值，并且可以仿真濾波器的輸出效果。

    3 濾波器設(shè)計軟件FILTER42

    3.1 濾波器頻帶響應(yīng)（Desired Response）

    FILTER42軟件界面上的Desired Response選項可用來確定UAF42構(gòu)成的濾波器的種類。使用圖中光標(biāo)指向Desired Response選項，ENTER（回車鍵）后即可提供四個選項：低通、高通、帶和帶阻。設(shè)計人員可根據(jù)設(shè)計要求的不同選中不同類型的濾波器。

    3.2 濾波器的類型（Filter Type）

    濾波器類型（Filter Type）選項可使設(shè)計人員選擇采用何種濾波器來實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等濾波器功能。FILTER42軟件提供了四種濾波器類型，它們分別是Butterworth(巴特沃斯濾波器)、Chebyshev(切比雪夫濾波器)、Bessel（貝塞爾濾波器）和Inv Chebyshev(反切比雪夫濾波器)。

    3.3 濾波器參數(shù)設(shè)置（Parameters）

    如果前兩步確定了有源濾波器設(shè)計為采用巴特沃斯的低通濾波器。則下一步便是確定低通波器的一些參數(shù)值。要設(shè)置的參數(shù)包括濾波器的階數(shù)和-3dB時的頻率。如果選定濾波階數(shù)為2，則-3dB時的頻率為1000Hz。需要說明的是：由于筆者設(shè)計的是低通濾波器，所以在FILTER42軟件界面中顯示的是“Lowpass Parameters”。如果設(shè)計選擇高通濾波器，則濾波器參數(shù)的設(shè)置項會自動地改為“Highpass Parameters”。

    3.4 濾波器的其它參數(shù)（Filter response）

    設(shè)計人員可以進(jìn)一步在界面上設(shè)定濾波器的輸出特性。在該“Filter response”選項中：Freq是頻率選項，可以由設(shè)計人員設(shè)置，Gain和Phase分別表示增益和相位。Tot UAFs表示實現(xiàn)濾波器所用的UAF的個數(shù)。電路中的電阻為±1%標(biāo)準(zhǔn)電阻。Topology包括三個選項：Inverting Noninverting和Auto。Inverting表示信號的輸入是從UAF42的反向輸入端輸入，Noninverting表示輸入信號從非反向輸入端輸入，設(shè)置成Auto后，程序?qū)⒆詣硬捎肐nverting和Noniverting中使用外部元件較少的一種方案。

    3.5 元件值（Componert Value）

    我們可以使用F3鍵來查看各個元件的具體設(shè)定值。

    由于電路中的各個參數(shù)都有說明。因此，可以根據(jù)FILTER42輸出的結(jié)果來確定電路中各個元件的具體參數(shù)值。

    3.6 仿真結(jié)果

    確定了電路的各個參數(shù)值后，還必須檢驗電路是否符合設(shè)計要求，因而FILTER42提供一個電路仿真功能，按下F2鍵，就可以輸出在這些電路參數(shù)下濾波器的幅頻特性。

　　BB公司提供的CAD軟件-FILTER42簡化了基于UFA42的設(shè)計。設(shè)計人員只要根據(jù)基本節(jié)電路的要求將參數(shù)輸入到FILTER42中，該軟件就可以計算出相應(yīng)的元件值，并且可以仿真濾波器的輸出效果。使得電路中各個元件參數(shù)的計算這一過程比較煩瑣，由UAF42利用廠家提供的一些技術(shù)支持來減輕設(shè)計人員的工作量。