國內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀

1、國內(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：國內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀作者：郭春蝶學(xué) 號： 08010308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)字信號處理技術(shù)取得了飛速發(fā)展，特別是在自適應(yīng)信號處理方面， 通過內(nèi)部參數(shù)的最優(yōu)化來自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性并以其計算簡單，收斂速度快等許多優(yōu)點而被廣泛使用。濾波器是分析系統(tǒng)故障的重要依據(jù)， 本文對國外廠商生產(chǎn)的 故障濾波器和國內(nèi)常見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 分析了國內(nèi)外產(chǎn)品的長處和不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合故障濾波器數(shù)據(jù)采集，啟動判據(jù)、 故障測距、

2、分析軟件等關(guān)鍵技術(shù)，提出幾點關(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 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 摘要 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1引言 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2濾波器的概述 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3濾波器的發(fā)展歷程 3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 4濾波器

3、的分類 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 按處理信號類型分類 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 按選擇物理量分類 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 按頻率通帶范圍分類 4 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 5國內(nèi)外濾波器的發(fā)展 5有源濾波器 5 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 開關(guān)電容濾波器（SCF 6 HYPERLINK l book

4、mark25 o Current Document 幾種新型數(shù)字濾波器（DR） 7 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 6.其它新型濾波器 8 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 電控編程CCD1向濾波器（FPCCDTF 8 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 晶體濾波器 8 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 聲表面濾波器 8 HYPERLINK l bookmark35 o Current Docum

5、ent 7我國目前各種濾波器的應(yīng)用比例 8 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 8結(jié)論 9 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 致謝 101引言由于自動化程度的提高，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都集中控制或檢測，測量儀器與被測 對象的距離較遠(yuǎn)，環(huán)境條件較為復(fù)雜。特別是被測信號是微弱的而且是深埋在噪 聲中的，怎樣對微弱信號進(jìn)行檢測越來越受到人們的重視。微弱信號檢測是一門新興的技術(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。具儀器已成為現(xiàn)代科學(xué)研究中不可缺少的設(shè)備。微弱 信號

6、檢測的目的是從噪聲中提取有用信號，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測 系統(tǒng)輸出信號的信躁比本文首先在了解微弱信號檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，掌握微弱信號檢測技術(shù)的基本原理，對微弱信號調(diào)理電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。2濾波器的概述凡是有能力進(jìn)行信號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，對濾波器的研 究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。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。電源 整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。 最基本

7、的濾波器，是由一個電容器和一個電感器構(gòu)成， 稱為L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。基本單節(jié)式濾波器由一個串聯(lián)臂及一 個并聯(lián)臂所組成，用聯(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型及冗型兩種。就L型單節(jié)濾波器而言，其電感抗 XL與電 容抗XC,對任一頻率為一常數(shù)。3濾波器的發(fā)展歷程1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了 LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個多 路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計 算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著 低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉

8、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)品的開發(fā)和研制。 當(dāng)然，對濾波器本身的研 究仍在不斷進(jìn)行。我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾 波。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā) 展步伐，但由于缺少專門研制機構(gòu)，集成工藝和材料工

9、業(yè)跟不上來，使得我國許 多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(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：按處理信號類型分類按處理信號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、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分 類。當(dāng)然，每個分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個樹形結(jié)構(gòu)。 實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(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，有個總體概念就行了。按選擇物理量分類按選擇物理量分類

10、，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM 制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。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、全通五個類 別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶。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，近年來發(fā)展很 快的幾種濾波器主要有以下幾種。5國內(nèi)外濾波器的發(fā)展有源濾波器有源濾波器由下列一些有源元件組成：運算放大器、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

11、倒置器（PII ）、四種受控源，另 外，還有病態(tài)元件極子和零子。1965年單片集成運算放大器問世后，為有源濾波器開辟了廣闊的前景。70年代初期，有源濾波器發(fā)展引人注目，1978年單片RCW源濾波器問世，為濾波 器集成邁進(jìn)了可喜的一步。由于運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，經(jīng)過補償后，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和運放組成。這樣容易集成，更重 要的是

12、提高了濾波器的精度，因為有源C濾波器的性能只取決于電容之比，與電 容絕對值無關(guān)。但它有一個主要問題：由于各支路元件均為電容，所以運放沒有 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)的開關(guān)電阻（SR去替彳t有源RC濾波器中的電阻R,就構(gòu)成了 SRCg波器， 它仍屬于模擬濾波器。但由于采用預(yù)置電路和復(fù)雜的相位時鐘，使這種濾波器發(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無源濾波器體積大，Q值小的缺點。但它仍有許 多課題有待進(jìn)一步研究：理想運放與實際特性的偏差的研究；由于有源濾波

13、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；元件的絕對值容差的存在，影響濾波器精度和 性能等問題仍未解決；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，使大規(guī)模集成仍然有困難。盡管有這么多問題，RC有源濾波器的理論和應(yīng)用仍在持續(xù)發(fā)展中。開關(guān)電容濾波器（SCF20世紀(jì)80年代技術(shù)改造一個重大課題是實現(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有源濾波器不能實現(xiàn)LSI,無源 濾波器和機械濾波器更不用說了，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)時集

14、成工藝不過關(guān)，并沒有引起人們的重視。1972年，美國一個叫Fried的科學(xué)家發(fā)表了用開關(guān)和電容模擬電阻 R,說SCF的性能只取 決于電容之比，與電容絕對值無關(guān)，這樣才引起人們的重視。1979年一些發(fā)達(dá)國家單片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。SC睞 用MOST藝加以實現(xiàn)，被公認(rèn)為80年代網(wǎng)絡(luò)理論與集成工藝的一個重大突破。 當(dāng)前MOS6容值一般為幾皮法至100pF之內(nèi)，它具有（10100） X 10-6/V的電 壓系數(shù)與（10100） X 10-6/ C的溫度系數(shù)，這兩個系數(shù)幾乎接近理想的境界。 SCF具有下列一些優(yōu)點：SCF可以大規(guī)模集成；SCF精度高，因為其性能取決

15、于 電容之比，而MOSfe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)來實現(xiàn)；比數(shù)字濾波器簡單，因為不需要 A/D、D/A轉(zhuǎn)換; 功能小，可以做到小于10mWSCF的應(yīng)用以聲頻范圍應(yīng)用為主體，工作頻率在100kHz之內(nèi)。在信號處理方 面的應(yīng)用有：程才$ SCF模擬信號處理、振動分析、自適應(yīng)性濾波器、音樂綜合、 共振譜、語言綜合器、音調(diào)選擇、語聲編碼、聲頻分析、均衡器、解調(diào)器、鎖相 電路、離散傅氏變換, 總之，SCF在儀表測量、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，1978年有的導(dǎo)師和在校研究生開始進(jìn)行這項研究工作， 真正引起人 們重視是1

16、980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現(xiàn)在關(guān)鍵是用MOSE藝實現(xiàn)SCF及推廣應(yīng)用問題，由 于用戶還不了解它，在我國SCF的應(yīng)用還沒有普及。SCF還有許多課題有待研究：由于運放和控制MOSf關(guān)的采樣頻率所限制，使得SCFR能在音頻范圍內(nèi)應(yīng)用。 近年雖然出現(xiàn)無運放的SC電路，但由于采樣頻率的限制，工作頻率最高只有在 1MHz 內(nèi)。非的MOSF關(guān)的溝道電阻以及非理想的運放特性，均可使 SCF造成誤差。開關(guān)電容本身的寄生電容使 SCF的頻響發(fā)生畸變。MO針關(guān)與MOS!放的熱噪聲使SCF勺動態(tài)范圍受到限制。最終要以MOST藝來實現(xiàn)的SCF由于它是時變

17、網(wǎng)絡(luò)，要想用分立元件精確模 擬是不可能的，這樣，設(shè)計完善的 CADft術(shù)是解決這一問題的唯一手段。止匕外，在靈敏度分析、噪聲分析等方面均有許多課題有待研究。幾種新型數(shù)字濾波器（DF）大家對DF并不陌生，這里不做系統(tǒng)綜述，但對一些新型 DF做一些介紹。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具有很強的自學(xué)習(xí)、自跟蹤功能。它在雷達(dá)和聲納的波束形成、緩變噪聲干擾的抑制、噪聲信號的處理、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有如下一些簡單算法： W-

18、LMSB法、M-LMSB法、TDC#法、差值LMS 算法和C- LMSB法。復(fù)數(shù) DF在輸入信號為窄帶信號處理系統(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所包含的全部信息，可利用正交雙路檢波法，取出窄帶信號的復(fù)包絡(luò)，然后通過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， 這個信號處理系統(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/FDM1號變換復(fù)接,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，往往將一維DF優(yōu)化設(shè)計直接推廣到多維 DF中去。對于模糊和隨 機噪聲

19、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,它便于實現(xiàn)大規(guī)模集成，便于無源和有源濾波網(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、各種硬件和軟件實現(xiàn) DF的研究等等?？傊?，DF在數(shù)字信號處理技術(shù)中占有極為重要的地位，對于它的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用等工作均是很有意義的。.其它新型濾波器為適應(yīng)各種需要，出現(xiàn)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。電控編程 CCD橫向濾波器（FPCCDTF電荷耦合器（CCD固定加權(quán)的橫向濾波器（TF）在信號處理中，其性能和 造價均可與數(shù)字濾波

20、器和各種信號處理部件媲美。 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；通用化的頻域濾波器及相關(guān)積運算；語 音信號和相位均衡；相陣系統(tǒng)的波束合成和電視信號的重影消除等均有應(yīng)用。當(dāng)然，更多的應(yīng)用有待進(jìn)一步開拓。總之，F(xiàn)PCCDT是最有希望的發(fā)展方向。晶體濾波器它是適應(yīng)單邊帶技術(shù)而發(fā)展起來的。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)生一個飛躍。近十年來，晶體濾波器致力于下面一些研究： 實現(xiàn)最佳設(shè)計，除具有優(yōu)良的選擇外，還具有良好的時域響應(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

21、邊帶通信機中作為選頻濾波器，在頻譜分析儀和 聲納裝置中作為中頻濾波器。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，長時間穩(wěn)定性好和工藝簡單等特點。通常應(yīng)用于：電視 廣播發(fā)射機中作為殘留邊帶濾波器；在彩色電視接收機中調(diào)諧系統(tǒng)的表面梳形濾 波器。止匕外，在國防衛(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，它在所有無源濾波器中最有發(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。我國目前各種濾波器的應(yīng)用比例我國現(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，我國有源濾波器發(fā)展比無源濾波器緩慢， 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)用比例來看，我國電子產(chǎn)品要想實現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器 集成化仍然是個重要課題。8結(jié)論隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并 且要求它們向集成方向發(fā)展。我國濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮 短這個差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。由于自動化程度的提高， 各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都集中控制或檢測，