基于Filterlab的一種高指標(biāo)帶通濾波器的設(shè)計

摘要：為了提取激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中的微弱信號，介紹了激光外差玻璃厚度測量系統(tǒng)原理及待檢測信號特征，采用一種簡潔、實用的濾波軟件，設(shè)計出一種高指標(biāo)帶通濾波器，從濾波器頻譜圖看待檢測的激光外差信號頻譜完全在通頻帶內(nèi)，噪聲衰減帶達(dá)到80 dB，其完全符合系統(tǒng)要求。
關(guān)鍵詞：激光外差技術(shù)；玻璃測厚系統(tǒng)；Fiterlab；濾波器

    目前，國內(nèi)的大多數(shù)玻璃生產(chǎn)廠家采用傳統(tǒng)的人工測量玻璃厚度，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達(dá)到高精度，實時監(jiān)控的目的，而采用激光測量結(jié)合光電檢測技術(shù)，能做到實時檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高。隨著光電檢測技術(shù)的發(fā)展，激光外差技術(shù)在激光通信、雷達(dá)、測距、測速、測振等方面有了廣泛的應(yīng)用。在玻璃厚度測量方面，激光外差測量技術(shù)以其具有分辨率高、精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、在線非接觸測量的優(yōu)點，逐漸開始取代傳統(tǒng)的測量方法。

1 激光外差玻璃測厚度系統(tǒng)
    玻璃厚度的測量系統(tǒng)中應(yīng)用了激光多普勒效應(yīng)和激光外差測量技術(shù)，測量原理如圖1所示。

    激光干涉儀發(fā)出的變頻激光通過半透鏡L垂直照射于待測玻璃表面，由于激光在不同時刻的頻率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光場，與其前一時刻在后表面反射后到達(dá)前表面的光場因頻率不同而發(fā)生混頻，產(chǎn)生差頻信號，和頻信號由半透鏡L反射后到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器，光電管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該信號包括激光本振信號、差頻信號、和頻信號和噪聲，其中和頻信號與本振信號頻率較高，超出光電管的頻率響應(yīng)范圍，利用帶通濾波器的帶寬控制在中頻信號范圍內(nèi)，即可檢測到差頻信號。該差頻信號含有玻璃板的厚度信息，差頻信號的頻率為；f=λh，其頻率與待測玻璃厚度成正比，比例系數(shù)λ與光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)有關(guān)，當(dāng)光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)確定，λ為常數(shù)。根據(jù)頻率差與玻璃厚度的關(guān)系，只要測得差頻信號的頻率，就能計算得到玻璃厚度，光電模塊檢測到光外差信號后，經(jīng)濾波、放大后送單片機(jī)處理得到玻璃厚度。
    在激光外差測厚系統(tǒng)中，待測光信號經(jīng)過反射，透射后衰減嚴(yán)重，到光電接收器十分微弱，雖然經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊初步處理，但信號還是非常微弱，而且夾雜著大量的噪聲，待檢測的差頻信號頻率在0．2～0．8 kHz范圍內(nèi)，因此必須設(shè)計一高指標(biāo)的帶通濾波器對其進(jìn)行濾波才能把差頻信號提取出來。
    傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計過程是：1)根據(jù)阻帶衰減速率要求，計算濾波器的階數(shù)n；2)確定具體的電路形式；3)根據(jù)電路的傳遞函數(shù)建立系數(shù)方程組，求出電路中元件的具體參數(shù)。該方法復(fù)雜繁瑣，精度不高，性能指標(biāo)不盡如人意。

2 濾波器設(shè)計
2．1 Filterlab簡介
    Fiherlab是一款計算機(jī)輔助濾波器設(shè)計軟件，是電子工程人員設(shè)計濾波器的有力工具。其特點：1)界面簡潔，操作方便簡單：2)可設(shè)計各種類型低通、帶通或高通濾波器；3)完善的設(shè)計向?qū)В?)各參數(shù)的可選范圍廣。
    為了方便使用Fiherlab，對Butterworth，Cebyshev，Bessel3種不同函數(shù)構(gòu)成的濾波器性能作比較：1)Butterworth型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益最穩(wěn)定，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率較陡。2)Cebyshew型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益波動較大，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率最陡。3)Bessel型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益有較小波動，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率平緩。
    Filterlab設(shè)計濾波器各項指標(biāo)：階數(shù)(1～8)；通帶紋(0．01～3．0 dB)；阻帶衰減(10～100 dB)；截止頻率(0．1：Hz～1 MHz)；阻帶頻率(0．1 Hz～1 MHz)；品質(zhì)因素Q(0．5～5．0)；通頻寬比(20％～200％)。
2．2 濾波器設(shè)計
    激光外差測厚系統(tǒng)中待檢測的差頻信號0．3～0．8 kHz范圍內(nèi)，其含有大量噪聲，整個信號只能達(dá)到毫伏級。濾波器設(shè)計要求：通頻帶中心頻率fo=500 Hz，上限頻率fH=800 Hz，下限頻率fL=200 Hz，通頻帶外噪聲衰減80 dB。應(yīng)用Filterlab設(shè)計濾波器的過程如下。
    1)確定傳遞函數(shù)以及濾波器類型，如圖2所示，設(shè)置傳遞函數(shù)Butterworth，ehebyshew及Besse13項可選，設(shè)置濾波器類型有低通、高通、帶通可選。選擇Butterworth型，帶通濾波器。

    2)根據(jù)要求確定濾波器各項參數(shù)，包括階數(shù)、轉(zhuǎn)折頻率及阻帶衰減，具體如圖3所示。設(shè)置衰減系數(shù)-80 dB，下限頻率fL=300Hz，上限頻率fH=800 Hz后，濾波器階數(shù)自動生成。

    3)電路形式的選擇(有4種)及電路中的電容參數(shù)的設(shè)置，如圖4所示。電路中電容選擇設(shè)定后，電阻的參數(shù)是自動生成的。

    4)自動生成濾波器電路如圖5所示，圖5中電路由4個二階濾波器串聯(lián)構(gòu)成八階濾波電路。頻率特性曲線如圖6所示，圖6中梯形為電路頻率特性曲線，半梯形斜線為相頻特性特性曲線。
2．3 Filterlab應(yīng)用體會
    1)Filterlab使用簡便，設(shè)計濾波器時省去了煩瑣參數(shù)的計算，根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)，而且設(shè)計過程中如發(fā)現(xiàn)不符合要求，可返回前面修正濾波器各項參數(shù)，直到濾波器特性符合要求為止。
    2)設(shè)計的濾波器階數(shù)n為1～8階，階數(shù)越高，濾波器的性能就越好，但電路也越復(fù)雜，電路的硬件安裝帶來不便。在設(shè)置階數(shù)時，不要最高的，要最適合的。
    3)設(shè)計的濾波器電阻的參數(shù)是自動生成的，具體電阻值在實際中可能沒有，硬件安裝時需用其它值串并聯(lián)后代替，會影響濾波效果。

3 結(jié)論
    激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中待檢測的信號是微弱信號，外差信號頻譜分布在0．2～0．8 kHz，被深埋在噪聲當(dāng)中，需要濾除干擾。用Filt erlab設(shè)計的高階帶通濾波器，從其頻譜圖上看完全滿足激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中待檢測的外差信號濾波。因Filterlab設(shè)計的濾波電路中所有元件均為理想元件，對應(yīng)裝配硬件的電路濾波效果會稍差，所以硬件裝配時盡量選擇噪聲系數(shù)小的元件。