音频信号有源带通滤波器设计与电路仿真

摘要：结合核电站的松脱部件监测系统（Loose Parts Monitoring System，以下简称LPMS）的信号调理设备，根据加速计输出信号的特征，采用了一种简单、快捷、准确的滤波软件（FilterLab 2.0），设计出了一种频率范围在（1KHz～10KHz）的高性能带通滤波器，并采用电路仿真软件（NI Multisim 10）对滤波电路进行了仿真验证，仿真结果符合设计需求，具备良好的滤波效果，适用于音频信号的滤波。

关键词：音频信号 带通滤波器 巴特沃斯 运算放大器 仿真分析

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0185-03

Abstract：Combined with signal conditioning equipment of Loose Parts Monitoring System （abbreviation： LPMS） of nuclear power stations and according to features of output signals of accelerometers， this article adopted a sort of simple， quick and accurate filtering software（FilterLab 2.0），designed a sort of high-performance band-pass filter with frequency range 1KHz-10KHz and adopted a circuit simulation software（NI Multisim 10）to conduct simulation verification on filtering circuit. The simulation result met the design demand， had fine filter effect and suited the filtering of audio signals.

Key Words：audio signals； band-pass filter； Butterworth； operational amplifier； simulation analysis

核反应堆压力容器内部包括堆内构件和燃料组件，堆内构件主要由压紧组件、吊篮组件、堆芯下支承组件等组成，各组件中的部件和零件大部分通过螺钉、销钉等连接。尽管这些连接件在设计中采取了防松、防脱措施，但在反应堆长期连续运行条件下，因水流冲击和流致振动的影响，可能会使某些零件产生松动甚至脱落，从而在一回路中形成松脱部件。设备发生部件松动，将使设备完整性受到破坏，影响其正常工作，松动部件脱落后，将随流道运动，撞击设备和器壁，使设备和器壁受损，严重时导致反应堆不能正常运行，在国外一些核电厂中曾多次发生该类严重事故，为了能在很大程度上降低、避免该类事故的发生[1]，因此在监测中要对松脱部件撞击波进行有效识别，撞击波是由各种幅度、频率的正弦波信号叠加组合而成的音频信号，频率范围在1KHz～10KHz，幅度范围±10V，为了精确实时的采集撞击波信号，需要将前端信号做隔离放大、滤波、信号跟随等处理，以消除结构振动、结构材料噪声、水力、摩擦等背景干扰噪声信号对撞击波信号带来的影响。本文结合松脱部件监测系统的信号调理设备，提出了一种可行的滤波电路设计方案。

1 LPMS系统滤波模块方案设计

松脱部件监测系统主要对压力容器、蒸汽发生器、主管道的松脱部件进行实时监测，出现松脱部件时，松脱部件与设备器壁或内部构件发生碰撞，产生“弯曲波”信号，弯曲波信号频率基本上都在1KHz～10KHz范围内，幅度范围±10V内，信号沿器壁和管壁传播，利用安装在器壁上的加速度计来探测这种声波信号，为了有效准确的探测出这种信号，信号进入信号调理设备后，应对弯曲波做带通滤波处理。

信号调理模块硬件框图如图1。常用的滤波器设计有以下三种方法：

（1）数字滤波器有更高的精度、可靠性、但滤波电路涉及模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、存儲芯片以及数字信号处理（DSP）芯片，电路成本大大提升，还涉及大量的浮点运算，需要占用DSP大量的资源；

（2）采用现有的滤波器芯片来搭建滤波电路，是一种比较快捷、可靠的方法，但目前常用的滤波器芯片都是±5V供电，无法实现幅度范围为±10V的信号滤波；

（3）根据阻带衰减速率、滤波器阶数、电路的具体形式、传递函数建立方程组，求出电路中元件的具体参数，该方法复杂繁琐，精度不高，性能指标不尽如人意[2]。因此，借助Microchip公司的滤波器设计软件FilterLab 2.0来完成音频信号带通滤波器设计是一种切实可行的方法。

2 有源带通滤波器设计

FilterLab 2.0 是一款有源滤波器设计软件，可以设计低通、高通、带通滤波器，有源滤波器由无源器件（R、C）和有源器件（一般用集成运算放大器）组成，并提供了巴特沃斯（Butterworth），切比雪夫（Chebyshey）及贝塞尔（Bessel）三种滤波器类型可选，Butterworth 型滤波器：通频带内电压增益最稳定，转折区斜率较陡；Chebyshey 型滤波器：通频带内电压增益波动较大，转折区斜率最陡；Bessel型滤波器：通频带内电压增益有较小波动，转折区斜率平缓[3]。

启动FilterLab软件，输入设计滤波器的类型、参数后，软件会自动生成电路原理图和元件参数，并对电路做幅频特性、相频特性分析。软件给出的滤波电路使用了两种最简单的电路模式，SallenKey（二阶压控电压源）和MFB（二阶无限增益多路反馈），供用户选用[4]。

音频信号带通滤波器的设计指标：

（1）信号在整个通带内信号衰减不大于0.5dB；

（2）边沿频率（频率为1KHz、10KHz）衰减不大于1.5dB；

（3）阻带衰减40dB以上。

根据设计指标，设计时滤波器类型选用Butterworth型滤波器，电路模式选用SallenKey电路，软件给出的滤波电路中的电容可以调整，电阻随电容的改变，自动生成，运算放大器选用低功耗、低噪声的OP482G芯片，OP482G芯片是±15V供电，内部集成4个运算放大器，因此可以级联出比较优化的八阶滤波电路，信号先通过低通滤波器（边沿频率10KHz，截止频率为20KHz），幅频、相频特性如图2，再通过高通滤波器（边沿频率1KHz，截止频率为500Hz），幅频、相频特性如图3，从以上两图可以看出设计的滤波器满足设计指标，从而形成频率范围为1KHz～10KHz的带通滤波器。

3 Multisim10软件平台下带通滤波器仿真

Multisim10是美国NI公司推出的一种电子电路仿真软件，该软件基于PC平台，已被广泛应用于电子电路分析，设计和仿真等工作中。Multisim10提供了丰富的元器件库，具备电源、信号源库、基本器件库、二极管库、晶体管库、模拟集成电路库；同时还具备强大的虚拟仪器仪表库，用户能方便的调用数字万用表、示波器、函数信号发生器、瓦特表、扫描仪、频谱分析仪等虚拟分析仪器；此外Multisim10 提供了直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、失真分析、参数扫描分析等，能基本满足电子电路设计和分析的要求[5-6]。

在Multisim 10平台下，根据FilterLab 2.0软件提供的低通滤波器、高通滤波器原理图，选定元器件模型并确定电路中各元器件的参数，电阻的误差设定为0.1%，电容的误差设定为5%，连接好电路，如图4，使用相应的函数信号发生器、双踪示波器、波特图仪进行在线测量，然后对照电路设计的需求，观察仿真结果是否与设计需求一致。

将图4所示电路分别输入频率为5KHz、20KHz，峰值5V的正弦波信号，检查无误后，点击仿真按钮，通过双踪示波器观察到的波形如图5、6，红色波形是输入的正弦波信号，黄色波形是滤波后的输出信号。当输入信号频率为5KHz时，信号处于通带内的中心频率，根据设计指标，输出信号衰减不能超过0.5dB，且波形不失真，从图5、7的仿真测试结果可以看出，信号衰减0.021dB，输出信号与输入信号幅度误差0.24%，波形不失真，滤波性能良好，满足设计需求；当输入信号为20KHz时，20KHz处于阻带，根据设计指标，输出信号衰减应达到40dB，从图6、7的仿真测试结果可以看出，信号衰减43dB，输入信号的幅度被衰减了141倍，黄色的输出波形的幅度已经很小了，峰值约36mV，图6上几乎看不出输出波形，处于阻带频率的信号得到了很大程度的衰减，同样满足设计需求。

为了直观观察整个频段内不同频率信号的仿真结果、特征、趋势，可以调用波特图仪扫频测量得到波特图，如图7。在整个频段上观察信号的幅频、相频特性，与FilterLab 2.0的计算结果一致，进一步验证了设计的正确性。

4 结语

采用FilterLab 2.0设计滤波器是一种快捷、高效的方法，软件能快速给出滤波电路图、幅频相频特性图以及电阻、电容器件的参数值，但软件给出的电子元器件的值是理想化的，没有考虑电阻、电容随温度变化对滤波性能的影响，为了进一步确保设计的正确性，采用Multisim10软件对滤波电路做全面的仿真验证，并在仿真时把电阻、电容的误差考虑进去，根据仿真的幅频、相频特性实时调整元器件的参数，也方便实际中的电路板调試，经实际测试，滤波电路既能有效衰减低频信号，又能有效衰减高频信号，从而获得真实、有用的撞击波信号，LPMS系统能有效识别，采集精度大大提高，满足使用要求，滤波模块已成功应用于LPMS系统的信号调理设备中。

参考文献

[1]刘才学，汪成元，郑武元，李翔，邓圣，胡建荣，简捷.核电站松脱部件监测系统研制[J].核动力工程，2010，31（1）：97-100.

[2]兰羽，卢庆林.基于Filterlab的一种高指标带通滤波器的设计[J].电子设计工程，2003，20（9）：148-149.

[3]蒋荣，宋登峰.基于FilterLab2 . 0的一种有源窄带滤波器的设计[J].信息通信，2011（2）：14-15.

[4]李述君，王嘉鑫，那健.振动加速度计信号滤波模块设计[J].船舰科学技术，2009，31（10）：90-91.

[5]王龙，贾瑞皋.基于 Multisim 8的 RC有源模拟滤波器的设计和仿真分析[J].聊城大学学报（自然科学版），2005，18（4）：24-26.

[6]黄智伟，李传琦，邹其洪.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2008.

收稿日期：2016-09-08

作者简介：李邵男，男，四川成都人，在校学生。