國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀

1、國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀郭春蝶鄭州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文課題名稱： 國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 作 者： 郭春蝶 學(xué) 號(hào)： 系 別： 電子工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用電子 指導(dǎo)教師： 姚恩志 2011年03月30日國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀摘 要近幾十年里，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)取得了飛速發(fā)展，特別是在自適應(yīng)信號(hào)處理方面，通過(guò)內(nèi)部參數(shù)的最優(yōu)化來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性并以其計(jì)算簡(jiǎn)單，收斂速度快等許多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。濾波器是分析系統(tǒng)故障的重要依據(jù)，本文對(duì)國(guó)外廠商生產(chǎn)的故障濾波器和國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的故障濾波器的配置、結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行了論述。在比較和分析了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的長(zhǎng)處和不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合故障濾波器數(shù)據(jù)采集，啟動(dòng)判據(jù)、故障測(cè)距、

2、分析軟件等關(guān)鍵技術(shù)，提出幾點(diǎn)關(guān)于提高濾波裝置性能的建議。 關(guān)鍵詞：濾波器；發(fā)展；現(xiàn)狀目 錄摘 要11 引言32 濾波器的概述33 濾波器的發(fā)展歷程34 濾波器的分類44.1 按處理信號(hào)類型分類44.2 按選擇物理量分類44.3 按頻率通帶范圍分類45 國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展55.1 有源濾波器55.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF）65.3 幾種新型數(shù)字濾波器（DF）76. 其它新型濾波器86.1 電控編程CCD橫向?yàn)V波器（FPCCDTF）86.2 晶體濾波器86.3 聲表面濾波器87 我國(guó)目前各種濾波器的應(yīng)用比例98 結(jié)論9致 謝101 引言由于自動(dòng)化程度的提高，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都集中控制或檢測(cè)，測(cè)量?jī)x器

3、與被測(cè)對(duì)象的距離較遠(yuǎn)，環(huán)境條件較為復(fù)雜。特別是被測(cè)信號(hào)是微弱的而且是深埋在噪聲中的，怎樣對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。微弱信號(hào)檢測(cè)是一門(mén)新興的技術(shù)學(xué)科,應(yīng)用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、力學(xué)、地質(zhì)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、激光、材料等領(lǐng)域。其儀器已成為現(xiàn)代科學(xué)研究中不可缺少的設(shè)備。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從噪聲中提取有用信號(hào),或用一些新技術(shù)和新方法來(lái)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信躁比本文首先在了解微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，掌握微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的基本原理，對(duì)微弱信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2 濾波器的概述凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為

4、廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開(kāi)。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱為L(zhǎng)型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個(gè)串聯(lián)臂及一個(gè)并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L(zhǎng)型及型兩種。就L型單節(jié)濾波器而言，其電感抗XL與電容抗XC，對(duì)任一頻率為一常數(shù)。3 濾波器的發(fā)展

5、歷程1917年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無(wú)源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開(kāi)關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來(lái)并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)

6、品的開(kāi)發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。 我國(guó)廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國(guó)際發(fā)展步伐，但由于缺少專門(mén)研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來(lái)，使得我國(guó)許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國(guó)際發(fā)展有一段距離。 4 濾波器的分類 濾波器有各種不同的分類。一般有以下幾種分類方法：4.1 按處理信號(hào)類型分類按處理信號(hào)類型分類有模擬濾波器和離散濾波器，其中模擬濾波器又可分為有源、無(wú)源、異類三個(gè)分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個(gè)分類。當(dāng)然，每個(gè)分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個(gè)樹(shù)

7、形結(jié)構(gòu)。 實(shí)際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開(kāi)關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個(gè)總體概念就行了。4.2 按選擇物理量分類 按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時(shí)間選擇（例如PCM制中的話路信號(hào)）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。4.3 按頻率通帶范圍分類 按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個(gè)類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因?yàn)樗兄芷谛缘耐◣Ш妥鑾А?濾波器種類繁多，有些是眾所周知的，有些可能不為大家所熟悉，近年來(lái)發(fā)展很快

8、的幾種濾波器主要有以下幾種。 5 國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展5.1 有源濾波器 有源濾波器由下列一些有源元件組成：運(yùn)算放大器、負(fù)電阻、負(fù)電容、負(fù)電感、頻率變阻器（FDNR）、廣義阻抗變換器（GIC）、負(fù)阻抗變換器（NIC）、正阻抗變換器（PIC）、負(fù)阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四種受控源，另外，還有病態(tài)元件極子和零子。 1965年單片集成運(yùn)算放大器問(wèn)世后，為有源濾波器開(kāi)辟了廣闊的前景。70年代初期，有源濾波器發(fā)展引人注目，1978年單片RC有源濾波器問(wèn)世，為濾波器集成邁進(jìn)了可喜的一步。由于運(yùn)放的增益和相移均為頻率的函數(shù)，這就限制了RC有源濾波器的頻率范圍，一般工作頻率為20kHz左右

9、，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，工作頻率也限制在100kHz以內(nèi)。1974年產(chǎn)生了更高頻的RC有源濾波器，使工作頻率可達(dá)GB/4（GB為運(yùn)放增益與帶寬之積）。由于R的存在，給集成工藝造成困難，于是又出現(xiàn)了有源C濾波器：就是濾波器由C和運(yùn)放組成。這樣容易集成，更重要的是提高了濾波器的精度，因?yàn)橛性碈濾波器的性能只取決于電容之比，與電容絕對(duì)值無(wú)關(guān)。但它有一個(gè)主要問(wèn)題：由于各支路元件均為電容，所以運(yùn)放沒(méi)有直流反饋通道，使穩(wěn)定性成為難題。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用連續(xù)的開(kāi)關(guān)電阻（SR）去替代有源RC濾波器中的電阻R，就構(gòu)成了SRC濾波器，它仍屬于模擬濾波器。但由于采用預(yù)置電路和復(fù)雜的相位時(shí)鐘，使

10、這種濾波器發(fā)展前途不大。 總之，由RC有源濾波器為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器，體積小，Q值可達(dá)1000，克服了RLC無(wú)源濾波器體積大，Q值小的缺點(diǎn)。但它仍有許多課題有待進(jìn)一步研究：理想運(yùn)放與實(shí)際特性的偏差的研究；由于有源濾波器混合集成工藝的不斷改進(jìn)，單片集成有待進(jìn)一步研究；應(yīng)用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續(xù)探索；元件的絕對(duì)值容差的存在，影響濾波器精度和性能等問(wèn)題仍未解決；由于R存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（20%30%），線性度差等缺點(diǎn)，使大規(guī)模集成仍然有困難。盡管有這么多問(wèn)題，RC有源濾波器的理論和應(yīng)用仍在持續(xù)發(fā)展中。 5.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF） 20世紀(jì)

11、80年代技術(shù)改造一個(gè)重大課題是實(shí)現(xiàn)各種電子系統(tǒng)全面大規(guī)模集成（LSI）。使用最多的濾波器成為“攔路虎”，RC有源濾波器不能實(shí)現(xiàn)LSI，無(wú)源濾波器和機(jī)械濾波器更不用說(shuō)了，于是，人們只能另辟新徑。50年代曾有人提出SCF的概念，由于當(dāng)時(shí)集成工藝不過(guò)關(guān)，并沒(méi)有引起人們的重視。1972年，美國(guó)一個(gè)叫Fried的科學(xué)家發(fā)表了用開(kāi)關(guān)和電容模擬電阻R，說(shuō)SCF的性能只取決于電容之比，與電容絕對(duì)值無(wú)關(guān)，這樣才引起人們的重視。1979年一些發(fā)達(dá)國(guó)家單片SCF已成為商品（屬于高度保密技術(shù)）?，F(xiàn)在SC技術(shù)已趨成熟。SCF采用MOS工藝加以實(shí)現(xiàn)，被公認(rèn)為80年代網(wǎng)絡(luò)理論與集成工藝的一個(gè)重大突破。當(dāng)前MOS電容值一般為

12、幾皮法至100pF之內(nèi)，它具有（10100）10-6/V的電壓系數(shù)與（10100）10-6/的溫度系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)幾乎接近理想的境界。SCF具有下列一些優(yōu)點(diǎn)：SCF可以大規(guī)模集成；SCF精度高，因?yàn)槠湫阅苋Q于電容之比，而MOS電容之比的誤差小于千分之一；功能多，幾乎所有電子部件和功能均可以由SC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；比數(shù)字濾波器簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰狝/D、D/A轉(zhuǎn)換；功能小，可以做到小于10mW。 SCF的應(yīng)用以聲頻范圍應(yīng)用為主體，工作頻率在100kHz之內(nèi)。在信號(hào)處理方面的應(yīng)用有：程控SCF、模擬信號(hào)處理、振動(dòng)分析、自適應(yīng)性濾波器、音樂(lè)綜合、共振譜、語(yǔ)言綜合器、音調(diào)選擇、語(yǔ)聲編碼、聲頻分析、均衡器、解調(diào)

13、器、鎖相電路、離散傅氏變換 總之，SCF在儀表測(cè)量、醫(yī)療儀器、數(shù)據(jù)或信息處理等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。 在我國(guó)，1978年有的導(dǎo)師和在校研究生開(kāi)始進(jìn)行這項(xiàng)研究工作，真正引起人們重視是1980年以后。1983年清華大學(xué)已制成單片SCF，成都工程學(xué)院與工廠聯(lián)合，也研制成單片SCF?，F(xiàn)在關(guān)鍵是用MOS工藝實(shí)現(xiàn)SCF及推廣應(yīng)用問(wèn)題，由于用戶還不了解它，在我國(guó)SCF的應(yīng)用還沒(méi)有普及。 SCF還有許多課題有待研究：由于運(yùn)放和控制MOS開(kāi)關(guān)的采樣頻率所限制，使得SCF只能在音頻范圍內(nèi)應(yīng)用。近年雖然出現(xiàn)無(wú)運(yùn)放的SC電路，但由于采樣頻率的限制，工作頻率最高只有在1MHz之內(nèi)。非的MOS開(kāi)關(guān)的溝道電阻以及非理

14、想的運(yùn)放特性，均可使SCF造成誤差。開(kāi)關(guān)電容本身的寄生電容使SCF的頻響發(fā)生畸變。MOS開(kāi)關(guān)與MOS運(yùn)放的熱噪聲使SCF的動(dòng)態(tài)范圍受到限制。最終要以MOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的SCF，由于它是時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，要想用分立元件精確模擬是不可能的，這樣，設(shè)計(jì)完善的CAD技術(shù)是解決這一問(wèn)題的唯一手段。此外，在靈敏度分析、噪聲分析等方面均有許多課題有待研究。 5.3 幾種新型數(shù)字濾波器（DF） 大家對(duì)DF并不陌生，這里不做系統(tǒng)綜述，但對(duì)一些新型DF做一些介紹。5.3.1自適應(yīng)DF 最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和自學(xué)習(xí)控制都涉及到多參數(shù)、多變量的復(fù)雜控制系統(tǒng)，都屬于現(xiàn)代控制理論研究的課題。自適應(yīng)DF具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自跟蹤功能。

15、它在雷達(dá)和聲納的波束形成、緩變?cè)肼暩蓴_的抑制、噪聲信號(hào)的處理、通信信道的自適應(yīng)均衡、遠(yuǎn)距離電話的回聲抵消等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展。 自適應(yīng)DF有如下一些簡(jiǎn)單算法：WLMS算法、MLMS算法、TDO算法、差值LMS算法和CLMS算法。5.3.2復(fù)數(shù)DF 在輸入信號(hào)為窄帶信號(hào)處理系統(tǒng)中，常采用復(fù)數(shù)DF技術(shù)。為了降低采樣率而又保存信號(hào)所包含的全部信息，可利用正交雙路檢波法，取出窄帶信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，然后通過(guò)A/D變換，將復(fù)包絡(luò)轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)序列進(jìn)行處理，這個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)即為復(fù)數(shù)DF。它具有許多功能：MTI雷達(dá)中抑制具有卜勒頻移的雜波干擾；數(shù)字通信網(wǎng)與模擬通信網(wǎng)之間多路TDM/FDM信

16、號(hào)變換復(fù)接 5.3.3多維DF 在圖像處理、地震、石油勘探的數(shù)據(jù)處理中都用到多維DF（常用是二維DF），多維DF的設(shè)計(jì)，往往將一維DF優(yōu)化設(shè)計(jì)直接推廣到多維DF中去。對(duì)于模糊和隨機(jī)噪聲干擾的二維圖像的處理，多維DF也能發(fā)揮很好的作用。 此外，還有波DF，它便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，便于無(wú)源和有源濾波網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字模擬。因此，正受到人們的重視和加以研究。 對(duì)于DF有待研究的課題有：系數(shù)靈敏度、舍入噪聲和極限環(huán)、多維逆歸濾波器的穩(wěn)定性、各種硬件和軟件實(shí)現(xiàn)DF的研究等等。總之，DF在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中占有極為重要的地位，對(duì)于它的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用等工作均是很有意義的。 6. 其它新型濾波器 為適應(yīng)各種需要，出現(xiàn)

17、了一批新型濾波器，這里介紹幾種已得到廣泛應(yīng)用的新型濾波器。6.1 電控編程CCD橫向?yàn)V波器（FPCCDTF） 電荷耦合器（CCD）固定加權(quán)的橫向?yàn)V波器（TF）在信號(hào)處理中，其性能和造價(jià)均可與數(shù)字濾波器和各種信號(hào)處理部件媲美。這種濾波器主要用于自適應(yīng)濾波；P-N序列和Chirp波形的匹配濾波；通用化的頻域?yàn)V波器及相關(guān)積運(yùn)算；語(yǔ)音信號(hào)和相位均衡；相陣系統(tǒng)的波束合成和電視信號(hào)的重影消除等均有應(yīng)用。當(dāng)然，更多的應(yīng)用有待進(jìn)一步開(kāi)拓?？傊?，F(xiàn)PCCDTF是最有希望的發(fā)展方向。6.2 晶體濾波器 它是適應(yīng)單邊帶技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。在20世紀(jì)70年代，集成晶體濾波器的產(chǎn)生，使它的發(fā)展產(chǎn)生一個(gè)飛躍。近十年來(lái)，晶體

18、濾波器致力于下面一些研究：實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，除具有優(yōu)良的選擇外，還具有良好的時(shí)域響應(yīng)；尋求新型材料；擴(kuò)展工作頻率；改造工藝，使其向集成化發(fā)展。它廣泛應(yīng)用于多路復(fù)用系統(tǒng)中作為載波濾波器，在收發(fā)信中，單邊帶通信機(jī)中作為選頻濾波器，在頻譜分析儀和聲納裝置中作為中頻濾波器。6.3 聲表面濾波器 它是理想的超高頻器件。它的幅頻特性和相位特性可以分別控制，以達(dá)到要求，而且它還有體積小，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通常應(yīng)用于：電視廣播發(fā)射機(jī)中作為殘留邊帶濾波器；在彩色電視接收機(jī)中調(diào)諧系統(tǒng)的表面梳形濾波器。此外，在國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)中已廣泛采用。聲表面濾波器是電子學(xué)和聲學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，而且可以集成，所以，它在所

19、有無(wú)源濾波器中最有發(fā)展前途的。 各種新型濾波器太繁多，限于篇幅，不再一一敘述。 7 我國(guó)目前各種濾波器的應(yīng)用比例 我國(guó)現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無(wú)源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國(guó)各類濾波器的應(yīng)用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機(jī)械濾波器占15%；陶瓷和聲表面濾波器各占1%；其余各類濾波器共占13%。從這些應(yīng)用比例來(lái)看，我國(guó)電子產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個(gè)重要課題。 8 結(jié)論隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來(lái)越高，功能也越來(lái)越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。由于自動(dòng)化程度的提高，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都集中控制或檢測(cè)，測(cè)量?jī)x器與被測(cè)對(duì)象的距離較遠(yuǎn)，環(huán)境條件較為復(fù)雜。特別是被測(cè)信號(hào)是微弱的而且是深埋在噪聲中的，怎樣對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。