基于EWB的有源滤波器优化技术及仿真分析

基于EWB的有源滤波器优化技术及仿真分析

张英1,朱立华1,马承先2

(1.河北工业大学电气学院,天津300130;2.河北工业大学电工厂,天津300130)

　　摘要:首先简要介绍了EWB(MultiSim)仿真软件,其次分析了RC有源滤波电路的性能,分别介绍了一阶和二阶有源滤波器。由低阶有源滤波器级联组成的高阶有源滤波器可以提高滤波性能,重点介绍了应用归一化算法和查手册的方法得到的三阶有源滤波器的设计,给出在自动准同期装置直流采样电路中的设计实例,利用得到的设计参数,先应用EWB(MultiSim)软件做仿真实验,再通过在电路板上的实际测量,说明设计方法的可行性。

关键词:仿真;有源滤波;自动准同期;MultiSim中图分类号:TM73　　　　文献标识码:A

OptimumTechniqueandSimulationAnalysisofActiveFilterBasedonEWB

ZHANGYing1,ZHULi2hua1,MACheng2xian2

(1.InstituteElectricalandAutomation,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China;

2.ElectricalEquipments,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Abstract:FirstlyintroducedthesimulationsoftwareEWB(MultiSim)briefly,secondlyanalyzedtheper2formancesofRCactivefilter,introducedone2stepandtwo2stepactivefilterrespectively.High2stepactivefilterwhichcomposedoflow2stepactivefiltercouldimprovethefilter′sperformances,mainlyintroducedthedesig2ningmethodofthree2stepactivefilterusingtheunitarymethodandcheckingthemanual.TheexampleintheDCsamplecircuitofautomaticsynchronizingdevicewasgiven,usingthedesigningparameters,usingEWBtosimulate,andmeasuringpracticalwaveonthepracticalcircuitboardtoillustratethemethodisfeasible.

Keywords:simulation;activefilter;automaticsynchronizingdevice;MultiSim

1　引言

滤波技术是通信和工程测试领域的重要环节,滤波器常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面,但对于滤波器设计的综合技术,由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难,近年来虽然有开关电容式专用集成滤波芯片问世,但价格不菲,电路噪声也不尽人意。因此对RC有源滤波器优化技术的研究,仍有积极的实际意义。随着集成运放的广泛应用,有源滤波器的应用更为广泛,因此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题,本文以在电力系统中应用为前提分析研究有源滤波器的性能和电路的构成,同时应用EWB(MultiSim)进行仿真实验分析。

1)仿真软件EWB具有齐全的虚拟电子设

备,包括示波器、函数振荡器、万用表、频谱仪和逻辑分析仪等,操作这些设备如同操作真实的设备一样,而且操作更加容易。2)该软件提供了相当广泛的元器件,从分立元器件到集成电路应有尽有。对元器件提供了理想模型和实际模型,用户既可以根据需要新建或扩建元器件库,又可以对仿真电路中的元件设置不同的故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状态,还可以自建元器件库和相应的元器件。3)该软件提供了方便的操作界面,可以轻松地完成原理图的输入。单击鼠标,可以方便地完成元件的选择;拖动鼠标,就可将元件放在电路工作区并连接。4)该软件的分析功能十分强大,可以进行直流工作点、暂态和稳态、傅立叶变换、噪声及失真度、参数扫描温度扫描、直流和交流灵敏度、零极点和蒙特卡罗等14项分析。在仿

41

2　主要功能和特点

EWB的主要功能和特点如下。

　　作者简介:张英(1951-),男,正高级工程师,Email:sbczhang@hebut.edu.cn

电气传动　2009年　第39卷　第2期张英,等:基于EWB的有源滤波器优化技术及仿真分析

真的同时,它还可以储存测试点的所有数据、测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。5)该软件不仅与人们熟悉的电路分析软件“SPICE”完全兼容,可以相互转换,同时在该软件下创建的电路可以直接输出至常见的印制线路板软件,如PROTEL,ORCAD,TANGO等,自动排出印制

式中:G0为函数的直流增益;ω0为截止角频率。电路的标准化参数为

R1=R2=R　　C1=C2=C

ωQ=1/(3-G0)0=1/(CR)　　

所以

G0=3-

(3)

1Q

电路板,从而加快了产品的开发速度,提高了设计

人员的工作效率。

(4)

3　RC有源滤波电路性能分析

3.1　一阶RC有源滤波[1]

　　由上所述,滤波器的特性由Q值(品质因数)

决定。即使是相同的电路形式,若改变Q值,则会出现不同的幅频衰减特性[2]。

一阶、二阶滤波器是构成高阶滤波器的基本单元。滤波器的阶数N越高,幅频特性衰减的速度越快,就越接近于理想幅频特性。

典型一阶、二阶低通滤波器传递函数的标准形式为G0ω0H(s)=

s+ω0

H(s)=

s+

2

最简单的低通滤波器是一阶低通滤波器,如

图1所示。

G0ω02

ω0Q

(5)

2

0

・s+ω

图1　一阶有源低通滤波器模型

Fig.1　Onestepactivelowpassrectifier

　　任意的传递函数均可由若干一阶滤波环节和

二阶滤波环节构成,即滤波器的级联实现,其传递函数为

H(s)=H1(s)H2(s)…Hk(s)　k≤m

(6)

　　图1中,若设运放是理想的,则其同向输入端的输入电流可视为零,运放接成电压跟随器的形式,并且理想运放的输出阻抗为零,因而起到了与后续级联电路相隔离的作用。于是图1所示电路的电压传递函数为

1/(R1C1)(1)H(s)=

s+1/(R1C1)

式(1)所示的传递函数,具有一个实数极点S=-1/(R1C1),所以具有低通特性。用一阶有源RC电路实现要求即可。比较归一化函数1/(s+1)和式(1),得1/(R1C1)=1。3.2　二阶RC有源滤波

所以可以利用典型的一阶和二阶滤波环节构建任意高阶的滤波器。本文应用简单的一阶、二阶滤

波电路级联组成三阶有源滤波,滤除电路中的谐波干扰,提高系统的稳定性。

三阶低通有源滤波电路的归一化传递函数为

H(s)=

11・2

s+1s+s+1

(7)

4　设计实例及仿真分析

在自动准同期装置中应用的直流采样功能,需要从电网和待并发电机侧得到模拟输入量,以得到合适的采样值,这就需要采用滤波器消除谐波干扰,提高系统的可靠性和稳定性。现设计一个1dB(<3dB)巴特沃斯低通滤波器来得到准确的模拟输入,截止频率fc=8Hz,幅度衰减m大于45dB以上,增益A=2,最大信号电压5V,

二阶有源低通滤波器模型如图2所示。

图2　二阶有源低通滤波器模型

Fig.2　Twostepsactivelowpassrectifier

要求滤波器输出电压中干扰电压成分不得大于0.1V。由n≥m/20=45/20=2.25,所以取n=3,故为三阶。在设计中选择容差为1%的电容和

(2)

　　图2中,二阶滤波电路的传递函数为

2ω0G=G022

ωs+s0(3-G0)+ω042

电阻。

图3是应用EWB仿真软件构造上面的三阶

张英,等:基于EWB的有源滤波器优化技术及仿真分析电气传动　2009年　第39卷　第2期

有源滤波电路的模型。由单集成运放LM258实

现低通RC有源滤波器,它的作用是提高滤波和放大的效率。

图5　调整参数后一阶滤波与三阶滤波的输出波形

Fig.5　Outputwavesofonestepandthreestepsfilter

　　在研制的自动准同期装置的采样电路中应用

图3　典型的单相整流滤波电路

Fig.3　Single2phaserectifiercircuitwithfilter

　　图3中R10,C3组成一阶环节,R11,R12,C4,C5组成二阶环节

R10C3K0)/・{(s+1/(R10C3)R11R12C4C52

[s+(了此滤波方案。经过多次实验,结果符合设计要求。示波器上显示的波形如图6所示。示波器设置的精度为500mV。可以看到,经此滤波方案得到的实际电压波形没有纹波和干扰,结果几乎为一条直线。测得的电压值与计算得到的整流电压值相符,误差很小。

　H(s)=

1R11C5

+

1R12C5

+1-K0R12C4

)s+

(8)

1R11R12C4C5

]}

根据前面介绍的理论,对比式(7),令K0=1,

R11=R12=R,C5=4C4=4C,图3是有源滤波器

的一种实现电路,其截止频率为

f0=

图6　三阶滤波后的直流电压波形

πRC4

1(9)

Fig.6　ThewaveofDCvoltageafterthree2stepactivefilter

所以在进行滤波器的设计时应该考虑滤波的截止频率,RC参数的分配问题,只有选择合理的参数才能得到符合要求的结果。

由归一化算法与查手册[1]得出电路中RC参

数值为:R10=14.3kΩ,R11=475kΩ,R12=1.00MΩ,C3=2.2μF,C4=22nF,C5=100nF。

　　仿真和实验结果表明,此滤波方案能够满足实际设计要求,可以滤掉谐波干扰,得到平稳、准确的直流电压信号,从而在A/D转换中就有准确的模拟量输入,提高了采样的精确程度,这种有源滤波电路具有一定的参考价值。

5　试验结果分析

合适地选择电路参数可做到滤波电路高、低通输出具有相同的截止频率,电路中电阻的取值可以决定滤波电路的等效品质因数Q,使滤波电路在截止频率附近有着不同形状的传输特性曲线,其中以Q=1/2的曲线最平坦,传输特性最理想。应用EWB仿真软件实现了电路参数的仿真设计,证明了归一化理论的正确性。根据实验给定的技术指标进行设计,性能的优劣主要取决于电阻和电容参数的选择,由仿真结果可知,选择滤波器中不同的R,C值可得到不同截止频率的频率输出,通过调整系统参数,以达到优化设计的目的。本试验中设计电路的截止频率fc为8Hz,通

(下转第60页)

43

由以上得到的RC参数构造滤波器,在EWB仿真软件上进行仿真试验,得到的仿真波形如图4、图5所示。图5中两个波形分别是经过一阶和

三阶滤波后的波形。可以看到三阶滤波之后的波形非常平滑,近乎直线,与实际要求的电路特性相符合。

图4　输入与整流后的电压波形

Fig.4　Wavesofinputvoltageandrectifyingvoltage

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(AIAE),并用AIAE来优化PID的3个增益参数,

提出了一种新颖的PID控制器。对于交流感应电机系统的仿真试验,结果表明:与带精英策略的典型遗传算法和标准模拟退火算法等算法设计的PID控制器相比,本文提出的AIAE2PID控制器展示出更好或者同等的动态特性。另外,该方法并不局限于按定子磁场定向的交流调速系统,完全可以推广到其他类型的电力传动控制系统。

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收稿日期:2008203219修改稿日期:2008209202

(上接第43页)

过示波器观察图6中三阶有源滤波电路的截止频率fc为7Hz,非常接近理想状态,所以电路设计参数达到要求。

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6　结论

从巴特沃斯有源低通滤波器的基础知识出

发,结合实际项目中的实例,详细分析了其有源一阶、二阶滤波器的设计思路和方法,给出了应用MutiSim的仿真分析。由于低阶滤波器往往电压衰减速度不如人意,本文介绍了一种更有效和便捷的软件设计滤波器的方法,以此设计的滤波器的幅频特性可以达到更加理想的效果。在电力系统的直流采样中应用此电路,可以得到比较精确的电压值,保证了A/D转换的输入信号的准确性。同时MultiSim软件相对于其他的EDA软件,具有更形象直观的人机交互界面,几乎能完全仿真实际的电路,结果偏差很小,是一种值得应用的仿真软件。60

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收稿日期:2008203213修改稿日期:2008209227