4阶Chebyshev有源滤波器的设计与实现

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                    ???? 高性能滤波器是现代信号处理的一种基本电路，传统的设计思想和方法运算量大，实现困难。在信号处理的各种应用中，电子线路的输入信号都含有各种频率分量，其包含的分量有有用信号和干扰信号。对于无用的信号需将其滤除或尽量地抑制到最低，这种对无用频率分量加以滤除或抑制的电路就是滤波器。Chebyshev有源滤波器有特定的中心频率信号，抑制和滤除其它频段的信号，在各种电子电路、自动控制电路中应用广泛。
　　利用OrCAD／Pspice将电路原理图绘制完成就可以使用实现电路的仿真分析。在电路的分析和优化设计中，可以随时调整电路结构，再次进行模拟分析，最终达到设计要求。其中Probe模块，可以在模拟结束后显示结果信号波形。而且，还可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性参数，分析电路特性参数和最大增益分布直方图。它可以对电路进行高性能的分析，是模拟电路分析的高级形式，可以对模拟结果再分析处理，以提取更多的信息。文中设计也应用了此模块，进行了MONte Carlo分析。
　　1 一阶低通滤波器
　　一阶低通滤波器由RC电路和放大器组成，电路原理，如图1所示。系统函数为




　　式(1)ω0=2πf0=1／R3C1中为特征频率，Aup=1+R1／R2为通带电压增益，取电源电压V-=-15 V，V+=15 V。画出一阶低通滤波器的幅频特性，如图2所示。





，二阶低通滤波器系统的传输函数为




　　进而计算出幅频特性函数。根据图3中参数选取值可以计算出f0=159 Hz，计算滤波器最高幅频下降3 dB所对应的频率即为通带截止频率fs约为1．577 6 kHz，如图4所示。




　　由图6，图7可知，幅频特性中心频率为10 kHz，带宽为1．5 kHz，波特图变化范围从-58～0 dB，与二阶低通滤波器相比具有二阶不能具有的优良特性，如相频特性好、稳定性能高等。




　　显然从图8可以看出，Chebyshev 4阶有源滤波器通过采用随机抽样、统计分析方法的MC和Pspice仿真分析的结果几乎完全相同。输出幅频特性的中心频率约10 kHz，带宽达到1．5 kHz，进而也再次认定了Chebyshev 4阶有源滤波器具有良好的幅频特性、较高的稳定性和提高了带宽。图9可以看出，直方图显示了最大增益在不同范围内的Chebyshev 4阶有源滤波器电路所占的比例。同时在直方图的下方还显示了直方图有关信息说明和统计分析结果。
　　4 结束语
　　用Pspice软件分析低通滤波器，以直接可视化的结果反映的幅频特性，避免了复杂运算。经过比较低通滤波器的功能，设计出4阶Cheby-shev有源滤波器，并仿真出直观的频率特性。运用Probe模块，对4阶有源滤波器模拟结果的再高级分析处理。另外，如果有特定要求的电阻电容精度，如果投入生产组装大量4阶Chebyshev有源滤波器时，采用随机抽样、统计分析的MC方法，确定Chebyshev 4阶有源滤波器的特性，其大量生产时仍具有高稳定性，为大量生产明确了目标性能。