自适应多功能滤波器的仿真实现

冉兴萍　马习平　高阳

摘要：提出单个输入、三个输出的自适应多功能滤波器，每个滤波器都有三个电流运放、两个模拟乘法器、一个频率电压转换（F/V）芯片和一些电容电阻组成。通过选择不同的输出端，就可得低通、高通和带通三种基本滤波功能。利用F/V电路和模拟乘法器实现滤波器截止频率的自动适应。电路结构简单、增益A独立可调，无源灵敏度低。利用ORCAD软件仿真测试，当输入信号的频率在200KHz～1M频范围内，设计的滤波电路能够同时实现不同功能的跟踪滤波，仿真结果与理论值符合良好。

关键词：自适应滤波器；多功能滤波器；F/V；频率自跟踪

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0224-03

Adaptive Multi-function Filter Simulation Implementation

RAN Xing-ping， MA Xi-ping， GAO Yang

（School of Computer Engineering， ChangJi University， Changji 831100， China ）

Abstract： It was present adaptive functions of single input and three output filter， each filter has three current op-amp， two analog multiplier， a frequency voltage （F/V） conversion chip and some capacitance resistors. By selecting different outputs， be low-pass， high-pass and band-pass three basic filter function. Using F/V circuit and analog multiplier to achieve automatic adaptation of filter cutoff frequency. Circuit structure is simple， adjustable gain A independent， passive sensitivity is low. Use of ORCAD simulation test， when the input signal frequency in 200 KHZ～1MHz frequency range， the design of filter circuit can realize different functions at the same time tracking filter， the simulation results were in good agreement with the theoretical value.

Key words： adaptive filter； multi-function filter； F/V； Frequency automatic tracking

自适应滤波技术是现代信号处理中的一个重要分支技术。目前实现自适应滤波的方法有两种，一种是利用各种滤波算法结合DSP或FPGA平台实现的数字滤波[1-4]，这种方法算法的复杂度和控制器的处理速度直接影响信号处理的实时性，其适合于信号频率低而且少变的情况。另一种是直接用硬件电路搭建的模拟滤波器，其中较为常见的有两种方法，第一种是利用电流模器件和电阻电容网络组成的模拟滤波电路[5，6]。 这种方法利用接地电容和接地电阻来改变偏置电流的大小进而改变截止频率和品质因数。用这种方法实现的滤波器不能自动连续调节截止频率。第二种是利用F/V与压控滤波单元设计的模拟滤波器[7]。这种方法虽然可以实现截止频率自动跟踪滤波，但目前所设计的滤波器的类型较单一，频带范围较窄。

本文利用高性能的F/V芯片结合模拟乘法器及电流运放设计的多功能模拟滤波器可以同时实现低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器的特性，并且可以实现200k～1M范围内的自适应滤波。

1 工作原理

图1为自适应多功能滤波器的原理框图。它主要由信号预处理电路、F/V电路和模拟乘法器组成的压控多功能滤波电路组成。首先输入信号分两路，一路经放大电路、限幅电路和整形比较电路组成的信号预处理电路对输入信号进行预处理，然后将处理后的信号作为F/V电路的输入，F/V电路的输出作为压控多功能滤波电路的一路输入信号，利用该电压输入信号控制滤波器的截止频率；另一路原始信号作为多功能滤波器的另一路输入信号，进而实现截止频率自动适应输入信号的频率的变化。

1.1信号预处理电路

信号预处理电路的原理框图如下图2所示，主要由放大电路、限幅电路和整形电路组成。放大电路由运算放大器两级级联实现，主要用于对小信号的放大。限幅电路采用二极管限幅电路组成，主要是防止经过放大电路后的信号对后续电路元件造成损坏。整形电路主要由电压比较器实现，主要是将输入信号变换为F/V电路所需要的是脉冲信号。

1.2 F/V电路

F/V电路是将输入的频率信号转换为与之成比例的电压信号输出的电路。F/V电路由专用的F/V芯片AD650与电阻电容网络组成[8]，电路如图3所示。AD650的输出电压与输入频率的关系为：

由式（1）可知，选取合适的电阻、电容值便可使输出电压与输入频率线性变化。

2 自适应多功能滤波器的设计

设计的二阶自适应多功能滤波器能同时实现低通、高通和带通的滤波功能。电路采用的是双二阶环滤波电路，这种形式的电路具有对有源器件要求低，灵敏度低和易调整的特点[9]。具体电路如图4所示，U1（AD8001）、R1、R2、R9、R10组成同相求和电路；U3（AD8001）、R5、C1组成积分电路；U4（AD8001）、R8、C2组成微分电路；U2（AD835）、U4（AD835）实现基本乘法运算，间接实现压控功能。该电路的特点是：一个输入，三个输出；各滤波电路的截止频率和品质因数Q是相等的；但各滤波电路的增益不同。

由（5）式可得各滤波器的截止频率与控制电压Vf成正比。由（6）～（9）式可得滤波器的品质因数Q和增益与Vf无关，可单独调节。

各元件参数的灵敏度为：

由上面的各元件的参数灵敏度可见，元件值的改变对滤波器的性能影响很小。当取R5=R8=R，R2=R9，C1=C2=C时，则式（5）变为：

由（11）式可得只要合理调整电容、电阻值就可以实现滤波器截止频率的自动跟踪。

3 仿真结果

因为AD835最大输入电压为1.0v，选择的电路参数为C1=C2=1nF，R=159k，R2=R9=R10=400，R1=1k时fLP=fBP=fHP=fi，增益分别为ALP=0.57，ABP=0.4，AHP=0.57。当输入信号的频率fi取1.0MHz时用ORCAD仿真的结果如图5。

从仿真结果分析可得，当输入信号的幅度为1v，频率在200kHz-1MHz的范围内变化时，经过滤波电路后信号的幅度变为vLP=vHP=0.57v，vBP=0.4v，且能够同时实现低通、高通和带通的滤波功能，幅频特性在通带内较平坦，在阻带内衰减的较好，符合设计要求。

4 结论

提出了一种自适应多功能滤波器的电路结构和设计方法，待处理信号经过预处理电路后输入F/V电路将频率信号变换为与之成正比例的电压信号，然后将该电压信号输入多功能压控滤波电路的电压输入端从而间接实现滤波器截止频率的自动适应。从仿真结果可以看出设计的滤波器能够实现高通、低通和带通的自动跟踪滤波功能，验证了该方法的正确性。由于电路中选用的模拟乘法器和电流运放都是高频性能较好的器件，可以利用分频及放大原理将高频信号转换为低频信号从而实现滤波器频率的扩展。

参考文献：

[1] 朱洪涛， 严国萍. 基于自适应滤波的信号处理系统建模及其系统实现[J]. 仪器仪表学报， 2003，24（4）：242-249.

[2] 杨东， 王建业， 蔡飞. 基于DSP开发工具的自适应滤波器[J]. 探测与控制学报， 2010，32（3）：79-82.

[3] 马胜前， 杨阳，刘娟芳.全数字锁相环实现的自适应低通滤波电路[J].计算机工程与应用2014，50（3）：181-184.

[4] 王怀宝， 沈虹.基于改进自适应滤波器的电网同步技术[J].高电压技术，2014，40（11）：3636-3641.

[5] 李园海， 高海生.基于CCCII 电流模式二阶有源多功能滤波器设计[J].华东交通大学学报，2015，32（1）：116-120.

[6] 曾菊员.基于 MOCCII 的n阶多功能滤波器的综合设计[J].南昌大学学报，2013，35（2）：202-204.

[7] 马胜前， 冉兴萍.自适应低通滤波器的设计[J].压电与声光，2013，35（2）：245-248.

[8] 朱亚朋， 李鸿鹏.基于AD650的模拟信号光纤传输系统的设计[J].计算机测量与控制，2012，20（6）：1662-1664.

[9] 冉兴萍.自适应滤波器的研究[D].兰州：西北师范大学，2013：33-34.