摘要：傳統(tǒng)的帶通濾波器設(shè)計(jì)方法中涉及了很多復(fù)雜的理論分析和計(jì)算.針對(duì)上述缺點(diǎn)，介紹一種使用EDA軟件進(jìn)行帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了使用FilterPro軟件進(jìn)行有源帶通濾波器電路的設(shè)計(jì)步驟，然后給出了在Proteus中對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真分析和測(cè)試的方法.測(cè)試結(jié)果表明，使用該方法設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有性能穩(wěn)定.設(shè)計(jì)難度小等優(yōu)點(diǎn)，也為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路.

　　0 引言

　　帶通濾波器是一種僅允許特定頻率通過，同時(shí)對(duì)其余頻率的信號(hào)進(jìn)行有效抑制的電路.由于它對(duì)信號(hào)具有選擇性，故而被廣泛地應(yīng)用現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中.但是，帶通濾波器的種類繁多，各個(gè)類型的設(shè)計(jì)差異也很大，這就導(dǎo)致了在傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)方法中不可避免地要進(jìn)行大量的理論計(jì)算與分析，不但損失了寶貴的時(shí)間，同時(shí)也提升了電路的設(shè)計(jì)門檻.為了解決上述弊端，本文介紹了一種使用FilterPro和Proteus相結(jié)合的有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，隨著EDA技術(shù)的不斷發(fā)展，這種方法的優(yōu)勢(shì)也將越來越明顯.

　　1 帶通濾波器設(shè)計(jì)工具簡介

　　1.1 濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterPro

　　FilterPro 是美國TI（德州儀器）公司推出的一款的濾波器設(shè)計(jì)軟件，它支持低通.高通.帶通以及全通濾波器的設(shè)計(jì)，同時(shí)也支持常見的貝塞爾.巴特沃斯以及切比雪夫響應(yīng)類型.設(shè)計(jì)人員只需要根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)向?qū)О床烤桶嗟赝逻M(jìn)行，就可以得到符合要求的濾波器電路，同時(shí)還可以得到與之相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線.

　　但是有一點(diǎn)需要注意：這款軟件的計(jì)算結(jié)果是一個(gè)連續(xù)域的計(jì)算結(jié)果，只有當(dāng)使用的運(yùn)算放大器是理想的運(yùn)放時(shí)才能得到與所給響應(yīng)曲線完全吻合的響應(yīng)結(jié)果，但這并不影響我們使用它進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì).因此只需要使用其他基于Spice 模型的EDA 仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真分析和調(diào)整，這就可以設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定的濾波器電路.

　　1.2 電路仿真軟件Proteus

　　Proteus 軟件是英國Labcenter electronics 公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的EDA 軟件，它自身集成了豐富的元件庫，更具有其他軟件無法與之相媲美的單片機(jī)仿真功能，使得它被廣大單片機(jī)設(shè)計(jì)人員所熟知.其實(shí)Prote-us在模擬電子的設(shè)計(jì)與仿真中做的同樣出色，只不過對(duì)它在這方面的介紹較少.

　　Proteus中獨(dú)特的圖表分析法可以實(shí)現(xiàn)多種類型的仿真.本文所設(shè)計(jì)的這款帶通濾波器就是在Proteus使用頻響曲線圖表進(jìn)行分析的.

　　2 有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需要構(gòu)造一個(gè)中心頻率40 kHz.通帶10 kHz的二階帶通濾波器來獲取有用的信號(hào).常用的二階帶通濾波器有多反饋型和Sallen-Key型，二者在電路的設(shè)計(jì)上略有區(qū)別.由于多反饋型帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q.中心頻率f 以及增益A 都可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，所以終決定使用多反饋型的帶通濾波器.為了使通帶內(nèi)的信號(hào)盡可能平滑，在此使用了響應(yīng)類型為巴特沃斯型的帶通濾波器.下面將介紹如何使用FilterPro 進(jìn)行帶通濾波器的設(shè)計(jì)：

　?。?）打開FilterPro 的設(shè)計(jì)向?qū)Р⑦x擇濾波器的類型，此處選擇帶通濾波器（即“BandPass”），點(diǎn)擊“Next”;

　?。?）設(shè)置濾波器的具體參數(shù)，這是關(guān)鍵的一步.根據(jù)上面的分析，以此設(shè)置中心頻率.通帶帶寬以及濾波器的階數(shù)，把增益設(shè)為2（大約6 dB），設(shè)置的結(jié)果如圖1所示，然后點(diǎn)擊“Next”;

　?。?）接下來選擇濾波器的響應(yīng)類型，在這里選擇巴特沃斯類型，點(diǎn)擊下一步；

　?。?）在濾波器的結(jié)構(gòu)類型里面我們選擇多反饋型，點(diǎn)擊“完成”.

　　通過上面的四個(gè)步驟，帶通濾波器電路就自動(dòng)生成了，終的電路原理圖如圖2所示.然后可在Proteus中搭建電路進(jìn)行仿真分析，前面已經(jīng)提到，F(xiàn)ilterPro生成的濾波器中的運(yùn)放使用的理想運(yùn)放模型，所以仿真時(shí)需要先用理想運(yùn)放進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行替換.

　　3 濾波器的仿真與測(cè)試

　　下面使用Proteus中的圖表分析法來分析圖2所示的濾波器.首先，在Proteus工作區(qū)中搭建圖2所示的電路.其中運(yùn)放使用理想運(yùn)放，然后使用Frequency來分析濾波器的頻響特性曲線，其具體方法如下：在Proteus的設(shè)計(jì)空間的空白處單擊右鍵，依次選擇“Place→Graphs→Frequency”,此時(shí)鼠標(biāo)就會(huì)變成鉛筆狀，拖動(dòng)鼠標(biāo)即可畫出一張F(tuán)requency 表，然后將OUTPUT 探針分別拖到Frequency圖標(biāo)的左上角和右下角，此時(shí)你會(huì)看到左上角會(huì)顯示ONPUT和Gain（dB），而右下角會(huì)顯示OUTPUT和phase（即相位），終設(shè)計(jì)好的Frequency圖表如圖3所示，然后設(shè)置參考信號(hào)源，這里即圖2中的輸入信號(hào)INPUT,設(shè)置如圖4所示.

　　現(xiàn)在即可以進(jìn)行仿真分析，依次點(diǎn)擊圖3 中的“Graph→Simulate Graph”即可獲得頻響曲線，如圖5所示.

　　從Frequency圖中可以看出，這個(gè)帶通濾波器的中心頻率為40 kHz（圖表底部中間的FREQ），增益為5.91 dB（圖中右下角OUTPUT）這與理論值6 dB 很接近，說明從理論上來講這個(gè)濾波器電路是正確的.下面可以根據(jù)實(shí)際情況來搭建上述濾波器電路.在此使用LM324來搭建該濾波器電路，由于使用單電源供電，所以LM324的正輸入端需要加上偏執(zhí)電壓以確保信號(hào)的完整性，此外，由于濾波器在整個(gè)系統(tǒng)中處于中間部分，所以輸入和輸出端都需要加入隔直電容.終設(shè)計(jì)的濾波器電路如圖6所示，其頻響曲線如圖7所示.

　　下面就進(jìn)行信號(hào)的輸入/輸出測(cè)試.在此使用Pro-teus 的Analog 圖表進(jìn)行此項(xiàng)分析.在INPUT 端分別輸入100 mV,40 kHz和100 mV,10 kHz的正弦信號(hào)，并觀察輸出，其結(jié)果如圖8和圖9所示.從圖8和圖9中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率在通帶以內(nèi)時(shí)，信號(hào)都可以正常通過，而且具有一定的增益；當(dāng)信號(hào)頻率在通帶外時(shí)，就會(huì)被濾波器抑制而產(chǎn)生較大的衰減.然后通過硬件電路調(diào)試也驗(yàn)證了上面仿真的正確性.

　　4 結(jié)語

　　本文介紹的這種帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的通用性.實(shí)踐表明，該方法不但可以避免一些復(fù)雜的理論計(jì)算和分析，同時(shí)通過仿真還可以直觀的檢驗(yàn)電路的輸入和輸出，進(jìn)而使得濾波器的性能更加的穩(wěn)定.另外，使用EDA 軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試也可以有效地降低設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)成本，這種設(shè)計(jì)方法也為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路.