rc有源滤波器优化综合技术研究 |
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RC有源滤波器优化综合技术研究尉云峰（浙江师范大学 计算机科学与工程学院，浙江 金华321004）
摘 要：给出了基于Butterworth传递函数的二阶、三阶RC有源滤波器的优化综合实例，其特点是实现电路简洁，网络参数易确定，调试方便，截止频率解析式明确，且有较好的精度。其电路和设计方法，在信号处理和通信及工程测试等领域，均有较好的参考价值。
关键词：Butterworth传递函数；有源滤波器；阻尼系数；优化综合
1 引 言
滤波技术是通信和工程测试领域的重要环节，滤波网络的理论逼近问题，早在上个世纪的三四十年代就已解决，但滤波器的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，一直没有长足的发展。近年来虽然有开关电容式专用集成滤波芯片问世，但价格不菲，电路噪声也不尽人意。因此对RC有源滤波器优化综合技术的研究，在信号处理和实时工控等领域，仍有积极的实际意义。所谓优化综合，指的是实现电路较简洁；或是网络参数易确定，调试方便；或是滤波器有确定的截止频率解析式，有较好的精度。
2二阶Butterworth RC有源滤波器优化综合
二阶滤波，是实现高阶滤波网络的积木块。Butterworth 滤波网络，又称“最平坦幅频特性” 滤波网络。式(1)是二阶Butterworth归一化滤波网络的传递函数：
式中ζ——系统阻尼系数
ω0——系统固有角频率
当时，称为最佳阻尼系数，此时系统的幅频特性也最为平坦。显然，二阶Butterworth传递函数是取得最佳阻尼系数的传递函数。
图1为一种由集成运放实现的二阶低通RC有源滤波器原理电路，可求得其传递函数为：
电路阻尼系数：
电路阻尼系数是一个重要的参数，传递函数的两个极点均由阻尼系数ζ所表征，它对系统在整个频域内能否稳定工作起着决定性的作用。阻尼系数ζ越小，在s平面内越靠近虚轴，系统越不稳定。因此我们的任务是既要使阻尼系数取得0.707的最佳值，又要使阻容参数选择和调试方便，同时还要保证截止频率f0有较规范的解析式。
图2分别为它们的两种实现电路原理，前者电路电容较为好取，且有两倍的直流增益，后者电路则电阻较为好取，且便于实现程控滤波。它们的截止频率均为：
一般来说，同一型号的电阻和电容，有相近的电性能参数，而图2电路中的阻尼系数ζ，均为电阻或电容的比值，因此有较好的稳定性。
需说明的是将图2电路的阻容位置互换，就成了具有相同形式的高通二阶Butterworth RC有源滤波器。
3三阶\%Butterworth RC\%有源滤波器优化综合
三阶Butterworth归一化传递函数为：
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其中二阶节的阻尼系数ζ=0.5。图3(a)为三阶RC有源滤波器电路原理，其中R1、C1组成一阶节，R2、R3、C2、C3、R10和R11组成二阶节，其传递函数为：
对比式（6），令K0=1，R2=R3=R，C3=4C2=4C，就有ζ=0.5，图3(b)为三阶Butterworth RC有源滤波器的一种实现电路，其截止频率为：
4 结束语
RC有源滤波器的共同特点是电路简洁，有简洁明了的频率解析式，网络参数调试方便，且有较好的精度，同时均通过实验验证，性能稳定，电路噪声小，已在多种场合得以应用。参考文献
[1] 郑君里. 信号与系统[M]. 北京：高等教育出版社，1981.
[2] 余水宝. 一种实现偶数高阶滤波网络的新方法[J]. 电子测量与仪器学报，1999,(1).
[3] 宗孔德. 数字信号处理[M]. 北京：清华大学出版社，1988.机电工程
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