濾波器：對輸入信號中某特定頻率或頻帶成分具有選擇性的網絡。濾波器廣泛應用于通信、自動控制、計算和測量技術等領域。隨著新型元器件的使用和設計思想的更新，濾波器的發(fā)展也日新月異。迄今為止，濾波器可以分為無源LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、RC有源濾波器和開關電容濾波器等。這些濾波器有各自的優(yōu)點和應用范圍，可使用于不同濾段和Q值范圍。隨著高增益運算放大器問世RC有源濾波器也跟著迅速發(fā)展起來，由于其集成運放開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又低，因而構成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以應用相當廣泛。

　　有源電力濾波器（APF）：是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。

　  2 通用有源濾波器UAF42

    UAF42的內部結構框圖如圖1所示。

    從圖中可以看出，UAF42的狀態(tài)可調（State-variable）結構使得它的應用十分方便。它有三個輸出引腳，這些引腳的輸出是把輸入信號經過低通、帶通和高通濾波后的信號。此外，UAF42片內還集成了一個輔助運放，該運放可作為通用的運放，也可以將UAF42的低通、高通和帶通等輸出信號進行信號處理。N階濾波器傳遞函數的一般式為：

    式中的m應小于或等于n。需要說明的是：直接實現(xiàn)三階以上傳遞函數的電路設計是很困難的。通常需要將高階傳遞函數分解為若干個低階（一階、二階、多三階）傳遞函數的乘積形式，如：

    Gn(S)=[B1(s)B2(s)…Bk(s)]/[A1(s)A2(s)…Ak(s)]=G1(s)G2(B)…Gk(s)

   各基本節(jié)傳遞函數設計的獨立性,具體過程如圖2所示。

   在工作中設計人員根據對濾波器的通帶、阻帶或過濾帶的頻率范圍及通帶增益和衰減特性要求，設計其某種類型的n階傳遞函數。

   再按各個低階傳遞函數的設計要求來設計和計算有源濾波器電路基本節(jié)。這一過程包括設計和計算相應的元件參數值、根據設計和計算結構選擇相應的元件參數值和運算放大器、組成各個低階濾波器的電路，并將它們級聯(lián)起來進行相應的調整和性能測試等工作。在上述設計過程中，有源濾波器設計的關鍵是基本節(jié)電路的設計。其基本節(jié)電路一般為一階或二階電路，一階電路較為簡單，二階電路可由R、C和運放所構成的電路來實現(xiàn)，但是采用UAF42則更方便。因而如果設計人員自己用運放的R、C構成的二階電路，則比較煩瑣計算電路中各個元件參數可以由UAF42減輕設計人員的工作量。對UAF42來說，由BB公司提供的一個CAD軟件-FILTER42簡化了基于UFA42的設計。設計人員只要根據基本節(jié)電路的要求將參數輸入到FILTER42中，該軟件就可以計算出相應的元件值，并且可以仿真濾波器的輸出效果。

    3 濾波器設計軟件FILTER42

    3.1 濾波器頻帶響應（Desired Response）

    FILTER42軟件界面上的Desired Response選項可用來確定UAF42構成的濾波器的種類。使用圖中光標指向Desired Response選項，ENTER（回車鍵）后即可提供四個選項：低通、高通、帶和帶阻。設計人員可根據設計要求的不同選中不同類型的濾波器。

    3.2 濾波器的類型（Filter Type）

    濾波器類型（Filter Type）選項可使設計人員選擇采用何種濾波器來實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等濾波器功能。FILTER42軟件提供了四種濾波器類型，它們分別是Butterworth(巴特沃斯濾波器)、Chebyshev(切比雪夫濾波器)、Bessel（貝塞爾濾波器）和Inv Chebyshev(反切比雪夫濾波器)。

    3.3 濾波器參數設置（Parameters）

    如果前兩步確定了有源濾波器設計為采用巴特沃斯的低通濾波器。則下一步便是確定低通波器的一些參數值。要設置的參數包括濾波器的階數和-3dB時的頻率。如果選定濾波階數為2，則-3dB時的頻率為1000Hz。需要說明的是：由于筆者設計的是低通濾波器，所以在FILTER42軟件界面中顯示的是“Lowpass Parameters”。如果設計選擇高通濾波器，則濾波器參數的設置項會自動地改為“Highpass Parameters”。

    3.4 濾波器的其它參數（Filter response）

    設計人員可以進一步在界面上設定濾波器的輸出特性。在該“Filter response”選項中：Freq是頻率選項，可以由設計人員設置，Gain和Phase分別表示增益和相位。Tot UAFs表示實現(xiàn)濾波器所用的UAF的個數。電路中的電阻為±1%標準電阻。Topology包括三個選項：Inverting Noninverting和Auto。Inverting表示信號的輸入是從UAF42的反向輸入端輸入，Noninverting表示輸入信號從非反向輸入端輸入，設置成Auto后，程序將自動采用Inverting和Noniverting中使用外部元件較少的一種方案。

    3.5 元件值（Componert Value）

    我們可以使用F3鍵來查看各個元件的具體設定值。

    由于電路中的各個參數都有說明。因此，可以根據FILTER42輸出的結果來確定電路中各個元件的具體參數值。

    3.6 仿真結果

    確定了電路的各個參數值后，還必須檢驗電路是否符合設計要求，因而FILTER42提供一個電路仿真功能，按下F2鍵，就可以輸出在這些電路參數下濾波器的幅頻特性。

　　BB公司提供的CAD軟件-FILTER42簡化了基于UFA42的設計。設計人員只要根據基本節(jié)電路的要求將參數輸入到FILTER42中，該軟件就可以計算出相應的元件值，并且可以仿真濾波器的輸出效果。使得電路中各個元件參數的計算這一過程比較煩瑣，由UAF42利用廠家提供的一些技術支持來減輕設計人員的工作量。