液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 全面理解设计要求 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。 拟定控制方案、绘制系统原理图 在全面了解设计要求之后，可根据不同的控制对象，按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，方块图如图36所示。图36 阀控液压缸位置控制系统方块图表6 液压伺服系统控制方式的基本类型伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成机液电液气液电气液 模拟量数字量位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动摆动运动旋转运动 1.阀控制：阀-液压缸，阀-液压马达2.容积控制：变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀-液压缸-变量泵-液压马达3.其它：步近式力矩马达 动力元件参数选择 动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。 动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。 供油压力的选择 选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件——液压缸的活塞面积（或液压马达的排量），因而泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑，同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势，元件的加工精度也要求提高，系统的造价也随之提高。同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。 常用的供油压力等级为7MPa到28MPa，可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定 如上所述，动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外，还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。 （1）动力元件的输出特性 将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换绘于υ－FL平面上，所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性，见图37。 图37 参数变化对动力机构输出特性的影响a）供油压力变化；b）伺服阀容量变化；c）液压缸面积变化 图中 FL——负载力，FL=pLA； pL——伺服阀工作压力； A——液压缸有效面积； υ——液压缸活塞速度， ； qL——伺服阀的流量； q0——伺服阀的空载流量； ps——供油压力。 由图37可见，当伺服阀规格和液压缸面积不变，提高供油压力，曲线向外扩展，最大功率提高，最大功率点右移，如图37a。 当供油压力和液压缸面积不变，加大伺服阀规格，曲线变高，曲线的顶点A ps不变，最大功率提高，最大功率点不变，如图37b。 当供油压力和伺服阀规格不变，加大液压缸面积A，曲线变低，顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移，如图37c。 （2）负载最佳匹配图解法 在负载轨迹曲线υ－FL平面上，画出动力元件输出特性曲线，调整参数，使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切，符合负载最佳匹配条件，而曲线1、3上的工作点α和b，虽能拖动负载，但效率都较低。 （3）负载最佳匹配的解析法 参见液压动力元件的负载匹配。 （4）近似计算法在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定 FLmax≤pLA= ，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算： （37） 图38 动力元件与负载匹配图形 按式37求得A值后，可计算负载流量qL，即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便，然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能，但传递效率稍低。 （5）按液压固有频率选择动力元件 对功率和负载很小的液压伺服系统来说，功率损耗不是主要问题，可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。 四边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （38） 二边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （39） 液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的（5～10）倍来确定。对一些干扰力大，负载轨迹形状比较复杂的系统，不能按上述的几种方法计算动力元件，只能通过作图法来确定动力元件。 计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度 ，就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时，应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是：在满足液压固有频率的要求下，传动比最小，这就是最佳传动比。 伺服阀的选择 根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL（即要求伺服阀输出的流量）计算得到的伺服阀空载流量q0，即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。 除了流量参数外，在选择伺服阀时，还应考虑以下因素： 1）伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀，因为这类阀具有较高的压力增益，可使动力元件有较大的刚度，并可提高系统的快速性与控制精度。 2）伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。 3）伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小，保证由此引起的系统误差不超出设计要求。 4）其它要求，如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等，都有一定要求。 执行元件的选择 液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件，直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计，除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A（或液压马达排量D）的最佳值外，还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。 反馈传感器的选择 根据所检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。 传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。 确定系统方块图 根据系统原理图及系统各环节的传递函数，即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式，只要把相应的符号变换一下即可。 绘制系统开环波德图并确定开环增益 系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数，求出波德图。在绘制波德图时，需要确定系统的开环增益K。 改变系统的开环增益K时，开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数，曲线的形状不变，其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性，在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低，来获得与闭环系统要求相适应的K值。 由系统的稳态精度要求确定K 由控制原理可知，不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此，可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。 由系统的频宽要求确定K 分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道，当ζh和K/ωh都很小时，可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率，即ω-3dB≈ωc，所以可绘制对数幅频曲线，使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。由此图可得K值。 图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性a）0型系统；b）I型系统 由系统相对稳定性确定K 系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图，同样也可以得到K。见图40。 实际上通过作图来确定系统的开环增益K，往往要综合考虑，尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。 系统静动态品质分析及确定校正特性 在确定了系统传递函数的各项参数后，可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直到满足系统的要求。 仿真分析 在系统的传递函数初步确定后，可以通过计算机对该系统进行数字仿真，以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件，如Matlab软件，很适合仿真分析。
电梯控制系统设计基于西门子PLC的电梯控制系统
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研究成果：作为负责人主持或主要人员参与了多项国家自然科学基金项目、973子课题、国防预研项目和教育部教改项目等‚已在国内外专业期刊和专业会议发表研究论文近40篇。国家发明专利4项:“小功率微波等离子体源”、“非周期性电容加载的移相器”、“一种基于近场耦合的小型化螺旋天线系统”、“一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构”课题项目：基于微系统的小功率微波等离子体源的研究‚国家自然科学基金资助项目‚2005‚1-2007‚12小功率微波微等离子体的研究‚国家自然科学基金资助项目‚2011‚1-2013‚12项目资金及来源：20.小功率微波微等离子体的研究‚36万元‚国家自然科学基金资助项目(项目负责人).19.基于微系统的小功率微波等离子体源的研究‚20万元‚国家自然科学基金资助项目(项目负责人).18. 调控电磁波-若干基于坐标变换和超材料技术的天线与散射问题的研究‚60万元‚国家自然科学基金资助项目(主要人员).17.数字式磁场测量仪的研制‚2万元‚华东师范大学实验设备研制基金项目(项目负责人).16.打印机电磁干扰分析‚上海测试技术研究院(项目负责人).(可重构)分形天线研究‚ 21+17万元‚国家自然科学基金项目和总装备部预研基金项目(主要人员).14．光子带隙材料的形成机理、传播、发射和吸收特性‚30万元‚973子课题(主要人员).13．可调谐铁电材料及铁电移相器研发‚12万元‚上海市科委专利二次开发项目(主要人员).12．封孔瓦微波无损检测研究‚15万‚海军总装备部（主要人员）.11．消声瓦无损检测研究‚40万‚海军总装备部（主要人员）.10．CPY-1型消声瓦粘贴质量微波无损检测仪制造‚2万‚海军总装备部（项目负责人）.9．现代电子技术实验教学模式的研究与实践‚12万‚国家教育部（主要人员）.8．周波跌落模拟器的控制电路‚ 万‚上海三基电子工业有限公司（项目负责人）.7．微波等离子体处理消声瓦表面的研究‚ 万‚华东师范大学理工学院科技发展基金（项目负责人）.6. 中学多媒体课件开发‚3万元‚上海学友软件公司（项目负责人）.5．“微波工程基础”(主干课程建设)‚2万元‚华东师范大学教务处（项目负责人）.4．《微波工程基础》课程的实验研究‚万‚华东师范大学教务处（项目负责人）.3．《微波技术》课程多媒体CAI应用软件建设‚万‚华东师范大学教务处（项目负责人）.2．微波化学反应设备‚ 万‚华东理工大学（项目负责人）.1．中学多媒体课件研究‚100万‚上海市教委教研室、上海电视大学（主要人员）.发表文章：1、Electrostatic Surface Trap for Cold Polar Molecules with a Charged Circular Wire‚Chinese Physics Letters‚、ICP源平面微带螺旋天线参数对性能的影响‚应用科学学报‚、小功率平面螺旋电感耦合微波等离子体源的建模分析‚电波科学学报‚20074、基于微带环缝谐振器的小功率微波等离子体源的建模与仿真‚电子与信息学报‚、基于CSRR的小型化低通滤波器的研究‚材料导报‚、宽带Wilkinson功分器的研制‚材料导报‚、新型三频微带天线的小型化研究‚材料导报‚、Micro-strip Spiral Resonator in Miniaturized Inductively Coupled Plasma Source‚ 2006 8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings‚ 20069、圆柱腔内微波等离子体激励的研究‚华东师范大学学报（自然科学版）‚、PHS、3G和WLAN共用室内分布系统分析‚电信快报‚、周波跌落模拟器的研制‚电子技术‚、微波等离子体改进消声瓦橡胶表面湿润性的研究‚表面技术‚200313、微波等离子体用于橡胶表面改性处理的研究‚华东师范大学学报（自然科学版）‚、微波等离子体对橡胶的表面改性研究‚微波学报‚、微波等离子体处理消声瓦表面的研究‚化学世界‚、一种医用椭圆环微带辐射器的研究‚华东师范大学学报（自然科学版）‚、A Study of Rubber Surface Modification Using Microwave Plasma‚The Proceedings of 2001 International Laser‚ Lightwave and Microwave Conference‚ 2001‚ 、基于微带环缝谐振器的小功率微波等离子体源的研究‚上海交通大学学报‚、基于虚拟源树的射线跟踪算法的研究‚华东师范大学学报(自然科学版) ‚、多馈口微波加热圆柱腔的研究‚压电与声光(增刊)‚、小功率平面螺旋电感耦合微波等离子体源的研究‚ 电子学报‚ 2009.参加国内外学术会议：1、The 5 International conference on microwave and millimeter wave technology(ICMMT2007)‚ 2007‚ 广西桂林.2、基于圆环缝隙结构的小型超宽带天线设计‚2007年全国微波毫米波会议‚2007‚ 浙江宁波.3、第13届全国微波能应用学术会议‚2007‚湖南长沙.4、Micro-strip Spiral Resonator in Miniaturized Inductively Coupled Plasma Source‚ 2006 8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology‚ 2006‚ 、“用于微波等离子体激励的微带环缝谐振器的设计”‚2005年全国微波毫米波会议‚2006‚深圳.6、“A study of rubber surface modification using microwave plasma”‚ 2005亚太微波会议‚2005‚江苏苏州.7、“圆柱腔内微波等离子体激励的研究”‚首届上海航天科技论坛暨神舟六号载人航天飞行圆满成功报告会和学术年会‚2005‚上海.8、平面螺旋电感耦合微波等离子体源的建模研究‚第十二届全国微波能应用学术会议‚2005‚四川成都.9、中国无线电管理2004上海论坛‚2004‚上海.10、“医用椭圆型微带辐射器的研究”‚第十一届全国微波能应用学术会议‚2004‚江苏南京.11、“微波等离子体用于橡胶表面改性处理的研究”‚2003年全国微波毫米波会议‚2003‚上海.12、The Michigan-Freiburg-Kyoto Micro Alliance Annual Meeting‚ 2008‚ Ann Arbor‚ Michigan‚ 、第十四届全国微波能应用学术会议‚2009年11月17-20日‚广东顺德.所获奖励：2006年度华东师范大学优秀任课教师奖2005年高等教育上海市教学成果奖一等奖2004年华东师范大学教学成果奖一等奖2003年华东师范大学优秀教学奖二等奖
不能。必须找带宽增益积大于50×100kHz = 5MHz以上的运放。
1 滤波器基本理论 滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的 电子装置。20 世纪60 年代,集成运放获得了快速的发展,由它和R,C 组成的有源滤波器,具有不用电感,体积小,重量轻等优点。此外, 由于集成运放的开环增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又很低,构成 有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 低通滤波器工作原理 低通滤波器是一种典型的选频电路,在给定的频段内,理论上它能让 信号无衰减的通过电路,这一段称为通带。在通带外的其他信号将受 到很大的衰减,具有很大衰减的频段称为阻带,通带与阻带的交界频 率称为截止频率,对滤波器的基本要求是:(1)通带内信号的衰减要 小,阻带内信号的衰减要大,由通带过渡到阻带的衰减特性陡直上升; (2)通带内的特性阻抗要恒为常数,以便于阻抗匹配。 2、二阶有源低通滤波电路的总体设计 滤波器一般结构 滤波电路的一般结构假设滤波电路是一个线性时不变网络,则在复频域内有如下的关 V0(s)Vi A(s)是滤波电路的传递函数,一般为复数。对于实际频率来滤波电路 Vo(s) Vi(s) 说(s=jw),则有A(jw)=|A(jw)|e ()这里|A(jw)|为传递函数的模,φ (w)为输出电压与输入电压之间的 相位角。 此外,在滤波电路中所关心的另一个量是时延τ (w),单位是 () 幅频特性 通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性,欲使信号通过滤 波电路的失真小,则相位或时延响应也需要考虑。当相位响应φ 作线性变化,即时延响应τ(w)为常数时,输出信号才可能避免失真。 滤波器各个器件参数的大小,都会影响其滤波特性。如阻尼系 数的大小,决定幅频特性有无峰值。如下是滤波器的幅频特性曲线。 幅频特性曲线 二阶低通滤波器电路结构 一般二阶有源低通滤波电路主要有由运算放大器,电容和电阻构 成。运算放大器用于对信号的放大,电阻对电路起到反馈调节的作用, 使电压放大范围大大增加,保持一定的开环增益,实现对一定范围电 压的放大,而电容起到调节的作用,把高于设定频率的信号衰减掉, 从而达到滤波的作用。
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1 滤波器基本理论 滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的 电子装置。20 世纪60 年代,集成运放获得了快速的发展,由它和R,C 组成的有源滤波器,具有不用电感,体积小,重量轻等优点。此外, 由于集成运放的开环增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又很低,构成 有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 低通滤波器工作原理 低通滤波器是一种典型的选频电路,在给定的频段内,理论上它能让 信号无衰减的通过电路,这一段称为通带。
低通滤波器设计原理是：容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过。
低通滤波器概念有许多不同的形式，包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器）、平滑数据的数字算法、音障、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。它信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数所起的作用。
计算：低通滤波器允许从直流到某个截止频率的信号通过。将通用滤波器二阶传递函数的高通和带通系数均设为零，即得到一个二阶低通滤波器传递公式：对于高于f0的频率，信号按该频率平方的速率下降。在频率f0处，阻尼值使输出信号衰减。
假定设计要求一个截止频率为10kHz的四阶贝塞尔(Bessel)低通滤波器。每部分的转降频率分别为及，阻尼值分别为及，并且这两个滤波器分区的高通、带通和低通系数分别为0、0与1。
扩展资料：
低通滤波器应用实例：
1、一个固体屏障就是一个声波的低通滤波器。当另外一个房间中播放音乐时，很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉了。
2、电子低通滤波器用来驱动重低音喇叭（subwoofer）和其它类型的扩音器、并且阻塞它们不能有效传播的高音节拍。
3、无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射。
4、DSL分离器使用低通和高通滤波器分离共享使用双绞线的DSL和POTS信号。
5、低通滤波器也在如Roland公司这样的模拟合成器（synthesiser）合成的电子音乐声音处理中发挥着重要的作用。
参考资料来源：百度百科—低通滤波器
作为一个电子硬件方面的工作者，怎么能不认识滤波器呢？那么到底什么是滤波？分享一篇科普文~了解一下电阻 - 电容（RC）低通滤波器是什么以及在何处使用它们能让你更好的掌握高端的电路设计实战。本文将介绍了滤波的概念，并详细说明了电阻 - 电容（RC）低通滤波器的用途和特性。时域和频域当您在示波器上查看电信号时，您会看到一条线，表示电压随时间的变化。在任何特定时刻，信号只有一个电压值。您在示波器上看到的是信号的时域表示。典型的示波器跟踪显示非常直观，但也有一定的限制性，因为它不直接显示信号的频率内容。而与时域表示相反就是频域，其中一个时刻仅对应于一个电压值，频域表示（也称为频谱）通过识别同时存在的各种频率分量来传达关于信号的信息。正弦波和方波（底部）的时域表示。正弦波和方波（底部）的频域表示。什么是滤波器？滤波器是一个电路，其去除，或“过滤掉”的频率分量的特定范围。换句话说，它将信号的频谱分离为将要通过的频率分量和将被阻隔的频率分量。如果您对频域分析没有太多经验，您可能仍然不确定这些频率成分是什么以及它们如何在不能同时具有多个电压值的信号中共存，让我们看一个有助于澄清这个概念的简短例子。假设我们有一个由完美的 5 kHz 正弦波组成的音频信号。我们知道时域中的正弦波是什么样的，在频域中我们只能看到 5 kHz 的频率“尖峰”。现在让我们假设我们激活一个 500 kHz 振荡器，将高频噪声引入音频信号。在示波器上看到的信号仍然只是一个电压序列，每个时刻有一个值，但信号看起来会有所不同，因为它的时域变化现在必须反映 5 kHz 正弦波和高频噪音波动。然而，在频域中，正弦波和噪声是在该一个信号中同时存在的单独的频率分量。正弦波和噪声占据了信号频域表示的不同部分（如下图所示），这意味着我们可以通过将信号引导通过低频并阻挡高频的电路来滤除噪声。滤波器的类型滤波器可以放在与滤波器频率响应的一般特征相对应的广泛类别中。如果滤波器通过低频并阻止高频，则称为低通滤波器；如果它阻挡低频并通过高频，它就是一个高通滤波器。还有带通滤波器，其仅通过相对窄的频率范围，以及带阻滤波器，其仅阻挡相对窄的频率范围。还可以根据用于实现电路的组件类型对滤波器进行分类。无源滤波器使用电阻器，电容器和电感器，这些组件不具备提供放大的能力，因此无源滤波器只能维持或减小输入信号的幅度。另一方面，有源滤波器既可以滤波信号又可以应用增益，因为它包括有源元件，如晶体管或运算放大器。这种有源低通滤波器基于流行的 Sallen-Key 拓扑结构。本文将探讨了无源低通滤波器的分析和设计。这些电路在各种系统和应用中发挥着重要作用。RC 低通滤波器为了创建无源低通滤波器，我们需要将电阻元件与电抗元件组合在一起。换句话说，我们需要一个由电阻器和电容器或电感器组成的电路。从理论上讲，电阻 - 电感（RL）低通拓扑在滤波能力方面与电阻 - 电容（RC）低通拓扑相当。但实际上，电阻 - 电容方案更为常见，因此本文的其余部分将重点介绍 RC 低通滤波器。RC 低通滤波器。如图所示，通过将一个电阻与信号路径串联，并将一个电容与负载并联，可以产生 RC 低通响应。在图中，负载是单个组件，但在实际电路中，它可能更复杂，例如模拟到数字转换器，放大器或示波器的输入级，用于测量滤波器的响应。如果我们认识到电阻器和电容器形成与频率相关的分压器，我们可以直观地分析 RC 低通拓扑的滤波动作。重新绘制 RC 低通滤波器，使其看起来像分压器。当输入信号的频率低时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗高; 因此，大部分输入电压在电容器上（和负载两端，与电容器并联）下降。当输入频率较高时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低，这意味着电阻器上的电压降低，并且较少的电压传输到负载。因此，低频通过并且高频被阻挡。RC 低通功能的这种定性解释是重要的第一步，但是当我们需要实际设计电路时它并不是很有用，因为术语“高频”和“低频”非常模糊。工程师需要创建通过并阻止特定频率的电路。例如，在上述音频系统中，我们希望保留 5kHz 信号并抑制 500kHz 信号。这意味着我们需要一个滤波器，从 5 kHz 到 500 kHz 之间的传递过渡到阻塞。截止频率滤波器不会引起显着衰减的频率范围称为通带，滤波器确实导致显着衰减的频率范围称为阻带。模拟滤波器，例如 RC 低通滤波器，总是从通带逐渐过渡到阻带。这意味着无法识别滤波器停止传递信号并开始阻塞信号的一个频率。然而，工程师需要一种方便，简洁地总结滤波器频率响应的方法，这就是截止频率概念发挥作用的地方。当您查看 RC 滤波器的频率响应图时，您会注意到术语“截止频率”不是很准确。信号光谱被“切割”成两半的图像，其中一个被保留而其中一个被丢弃，不适用，因为随着频率从截止点下方移动到截止值以上，衰减逐渐增加。RC 低通滤波器的截止频率实际上是输入信号幅度降低 3dB 的频率（选择该值是因为幅度降低 3dB 对应于功率降低 50％）。因此，截止频率也称为 -3 dB 频率，实际上该名称更准确且信息量更大。术语带宽是指滤波器通带的宽度，在低通滤波器的情况下，带宽等于 -3 dB 频率（如下图所示）。该图表示 RC 低通滤波器的频率响应的一般特性。带宽等于 -3 dB 频率。如上所述，RC 滤波器的低通行为是由电阻器的频率无关阻抗与电容器的频率相关阻抗之间的相互作用引起的。为了确定滤波器频率响应的细节，我们需要在数学上分析电阻（R）和电容（C）之间的关系，我们还可以操纵这些值，以设计满足精确规格的滤波器。RC 低通滤波器的截止频率（f C）计算如下：我们来看一个简单的设计实例。电容值比电阻值更具限制性，因此我们将从常见的电容值（例如 10 nF）开始，然后我们将使用该公式来确定所需的电阻值。目标是设计一个滤波器，它将保留 5 kHz 音频波形并抑制 500 kHz 噪声波形。我们将尝试 100 kHz 的截止频率，稍后在文章中我们将更仔细地分析此滤波器对两个频率分量的影响。因此，160Ω电阻与 10 nF 电容相结合，将为我们提供一个非常接近所需频率响应的滤波器。计算滤波器响应我们可以通过使用典型分压器计算的频率相关版本来计算低通滤波器的理论行为。电阻分压器的输出表示如下：RC 滤波器使用等效结构，但是我们有一个电容器代替 R 2。首先，我们用电容器的电抗（X C）代替 R 2（在分子中）。接下来，我们需要计算总阻抗的大小并将其放在分母中。因此，我们有电容器的电抗表示与电流的相反量，但与电阻不同，相反量取决于通过电容器的信号频率。因此，我们必须计算特定频率的电抗，我们用于此的等式如下：在上面的设计实例中，R≈160Ω 且 C = 10nF。我们假设 V IN 的幅度是 1 V，这样我们就可以简单地从计算中去掉 V IN。首先让我们以正弦波频率计算 V OUT 的幅度：正弦波的幅度基本不变。这很好，因为我们的目的是在抑制噪音的同时保持正弦波。这个结果并不令人惊讶，因为我们选择的截止频率（100 kHz）远高于正弦波频率（5 kHz）。现在让我们看看滤波器如何成功衰减噪声分量。噪声幅度仅为其原始值的约 20％。可视化滤波器响应评估滤波器对信号影响的最方便方法是检查滤波器频率响应的图。这些图形通常称为波德图，在垂直轴上具有幅度（以分贝为单位），在水平轴上具有频率; 水平轴通常具有对数标度，使得 1Hz 和 10Hz 之间的物理距离与 10Hz 和 100Hz 之间，100Hz 和 1kHz 之间的物理距离相同等等。这种配置使我们能够快速准确地评估滤波器在很大频率范围内的行为。频率响应图的一个例子。曲线上的每个点表示如果输入信号的幅度为 1 V 且频率等于水平轴上的相应值，则输出信号将具有的幅度。例如，当输入频率为 1 MHz 时，输出幅度（假设输入幅度为 1 V）将为 V（因为 -20 dB 对应于十倍减少因子）。当您花费更多时间使用滤波器电路时，此频率响应曲线的一般形状将变得非常熟悉。通带中的曲线几乎完全平坦，然后随着输入频率接近截止频率，它开始下降得更快。最终，衰减的变化率（称为滚降）稳定在 20 dB / decade- 即，输入频率的每增加十倍，输出信号的幅度降低 20 dB。评估低通滤波器性能如果我们仔细绘制我们在本文前面设计的滤波器的频率响应，我们将看到 5 kHz 时的幅度响应基本上是 0 dB（即几乎为零衰减），500 kHz 时的幅度响应约为 -14 dB（对应于 的增益）。这些值与我们在上一节中执行的计算结果一致。由于 RC 滤波器总是从通带到阻带逐渐过渡，并且因为衰减永远不会达到无穷大，我们无法设计出“完美”的滤波器 - 即对正弦波没有影响并完全消除噪声的滤波器。相反，我们总是需要权衡。如果我们将截止频率移近 5 kHz，我们将有更多的噪声衰减，但我们想要发送到扬声器的正弦波衰减更多。如果我们将截止频率移近 500 kHz，我们在正弦波频率下的衰减会减少，但噪声频率下的衰减也会减少。低通滤波器相移到目前为止，我们已经讨论了滤波器修改信号中各种频率分量幅度的方式。然而，除了幅度效应之外，电抗性电路元件总是引入相移。相位的概念是指周期内特定时刻的周期信号的值。因此，当我们说电路引起相移时，我们的意思是它会在输入信号和输出信号之间产生不对准：输入和输出信号不再在同一时刻开始和结束它们的周期。相移值（例如 45°或 90°）表示已创建多少未对准。电路中的每个电抗元件都会引入 90°的相移，但这种相移不会同时发生。输出信号的相位与输出信号的幅度一样，随着输入频率的增加而逐渐变化。在 RC 低通滤波器中，我们有一个电抗元件（电容器），因此电路最终会引入 90°的相移。与幅度响应一样，通过检查水平轴表示对数频率的曲线图，可以最容易地评估相位响应。下面的描述传达了一般模式，然后您可以通过检查绘图来填写详细信息。相移最初为 0°。它逐渐增加，直到它在截止频率达到 45°; 在这部分响应期间，变化率正在增加。在截止频率之后，相移继续增加，但变化率正在降低。随着相移渐近接近 90°，变化率变得非常小。实线是幅度响应，虚线是相位响应。截止频率为 100 kHz。注意，截止频率下的相移为 45°。二阶低通滤波器到目前为止，我们假设 RC 低通滤波器由一个电阻器和一个电容器组成。此配置是一阶滤波器。无源滤波器的“次序”由电路中存在的电抗元件（即电容器或电感器）的数量决定。高阶滤波器具有更多的无功元件，这导致更多的相移和更陡的滚降。第二个特征是增加滤波器顺序的主要动机。通过向滤波器添加一个电抗元件 - 例如，从一阶到二阶或二阶到三阶 - 我们将最大滚降增加 20 dB / 十倍。更陡峭的滚降转换为从低衰减到高衰减的更快速转换，并且当信号不具有将期望频率分量与噪声分量分离的宽频带时，这可以导致改善的性能。二阶滤波器通常围绕由电感器和电容器组成的谐振电路构建（这种拓扑结构称为“RLC”，用于电阻器 - 电感器 - 电容器）。但是，也可以创建二阶 RC 滤波器。如下图所示，我们需要做的就是级联两个一阶 RC 滤波器。虽然这种拓扑肯定会产生二阶响应，但它没有被广泛使用 - 正如我们将在下一节中看到的那样，频率响应通常不如二阶有源滤波器或二阶 RLC 滤波器。二阶 RC 滤波器的频率响应我们可以尝试通过根据所需的截止频率设计一阶滤波器然后将这些一阶级中的两个串联连接来创建二阶 RC 低通滤波器。这确实导致滤波器具有类似的总频率响应，最大滚降为 40 dB / decade 而不是 20 dB / decade。但是，如果我们更仔细地观察响应，我们会发现 -3 dB 频率已经降低。二阶 RC 滤波器的行为不符合预期，因为两个阶段不是独立的 - 我们不能简单地将这两个阶段连接在一起，并将电路分析为一阶低通滤波器，然后是相同的一阶低通过滤。此外，即使我们在两级之间插入缓冲器，使得第一 RC 级和第二 RC 级可以用作独立滤波器，原始截止频率处的衰减将是 6dB 而不是 3dB。这恰恰是因为两个阶段独立工作 - 第一个滤波器在截止频率处具有 3 dB 的衰减，而第二个滤波器增加了另外 3 dB 的衰减。二阶 RC 低通滤波器的基本限制是设计人员无法通过调整滤波器的 Q 因子来微调从通带到阻带的转换; 此参数表示频率响应的阻尼程度。如果级联两个相同的 RC 低通滤波器，则整体传递函数对应于二阶响应，但 Q 因子始终为 。当 Q = 时，滤波器处于过阻尼的边界，这导致在过渡区域中“下垂”的频率响应。二阶有源滤波器和二阶谐振滤波器没有这个限制; 设计人员可以控制 Q 因子，从而微调过渡区域的频率响应。小结所有电信号都包含所需频率分量和不需要的频率分量的混合。不期望的频率分量通常由噪声和干扰引起，并且在某些情况下它们将对系统的性能产生负面影响。滤波器是以不同方式对信号频谱的不同部分作出反应的电路。低通滤波器旨在传递低频分量并阻止高频分量。低通滤波器的截止频率表示滤波器从低衰减转变为显着衰减的频率区域。RC 低通滤波器的输出电压可以通过将电路视为由（频率无关）电阻和（频率相关）电抗组成的分压器来计算。幅度（以 dB 为单位，在垂直轴上）与对数频率（以赫兹为单位，在水平轴上）的曲线图是检查滤波器理论行为的方便有效的方法，你还可以使用相位与对数频率的关系图来确定将应用于输入信号的相移量。二阶滤波器提供更陡峭的滚降; 当信号不能在所需频率分量和不需要的频率分量之间提供宽带分离时，这种二阶响应是有用的。你可以通过构建两个相同的一阶 RC 低通滤波器，然后将一个输出连接到另一个的输入来创建二阶 RC 低通滤波器，整体 -3 dB 频率将低于预期。
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100. 48V25A直流高频开关电源设计
相关微波光子滤波器研究现状一直以来受到国内外研究者的重视，各领域的研究人员们投入了大量的精力研究和实现微波光子滤波器的设计和制作。其中，研究者们根据不同的应用场景，开发了以几何形状和电磁设计为基础的微波光子滤波器，并利用实验数据证实了滤波器的性能优异。此外，根据应用需求，研究者们还深入研究了微波光子滤波器的传输性能，建立了完善的理论模型，为滤波器的实际应用提供了有力支撑。
摘 要 FIR数字滤波器是数字信号处理的经典方法，其设计方法有多种，用DSP芯片对FIR滤波器进行设计时可以先在MATLAB上对FIR数字滤波器进行仿真，所产生的滤波器系数可以直接倒入到DSP中进行编程，在编程时可以采用DSP独特的循环缓冲算法对FIR数字滤波器进行设计，这样可以大大减少设计的复杂度，使滤波器的设计快捷、简单。关键词 FIR;DSP;循环缓冲算法1 引言在信号处理中，滤波占有十分重要的地位。数字滤波是数字信号处理的基本方法。数字滤波与模拟滤波相比有很多优点，它除了可避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪声等问题外，还能满足滤波器对幅度和相位的严格要求。低通有限冲激响应滤波器(低通FIR滤波器)有其独特的优点，因为FIR系统只有零点，因此，系统总是稳定的，而且容易实现线性相位和允许实现多通道滤波器。2 FIR滤波器的基本结构及设计方法 FIR滤波器的基本结构设a i(i=0，1，2，…，N一1)为滤波器的冲激响应，输入信号为 x(n)，则FIR滤波器的输入输出关系为： FIR滤波器的结构如图1所示：图 FIR滤波器的设计方法 (1) 窗函数设计法 从时域出发,把理想的无限长的hd(n)用一定形状的窗函数截取成有限长的h(n),以此h(n)来逼近hd(n),从而使所得到的频率响应H(ejω)与所要求的理想频率响应Hd(ejω) 相接近。优点是简单、实用,缺点是截止频率不易控制。 (2) 频率抽样设计法从频域出发, 把给定的理想频率响应Hd(ejω)以等间隔抽样,所得到的H(k)作逆离散傅氏变换,从而求得h(k),并用与之相对应的频率响应H(ejω)去逼近理想频率响应Hd(ejω)。优点是直接在频域进行设计,便于优化,缺点是截止频率不能自由取值。(3) 等波纹逼近计算机辅助设计法前面两种方法虽然在频率取样点上的误差非常小,但在非取样点处的误差沿频率轴不是均匀分布的,而且截止频率的选择还受到了不必要的限制。因此又由切比雪夫理论提出了等波纹逼近计算机辅助设计法。它不但能准确地指定通带和阻带的边缘,而且还在一定意义上实现对所期望的频率响应实行最佳逼近。3 循环缓冲算法对于N级的FIR滤波器，在数据存储器中开辟一个称之为滑窗的N个单元的缓冲区，滑窗中存放最新的N个输入样本。每次输入新的样本时，一新样本改写滑窗中的最老的数据，而滑窗中的其他数据不需要移动。利用片内BK（循环缓冲区长度）寄存器对滑窗进行间接寻址，环缓冲区地址首位相邻。下面，以N=5的FIR滤波器循环缓冲区为例，说明循环缓冲区中数据是如何寻址的。5级循环缓冲区的结构如图所示，顶部为低地址。……由上可见，虽然循环缓冲区中新老数据不很直接明了，但是利用循环缓冲区实现Z-1的优点还是很明显的：它不需要数据移动，不存在一个极其周期中要求能进行一次读和一次写的数据存储器，因而可以将循环缓冲区定位在数据存储器的任何位置（线性缓冲区要求定位在DARAM中）。实现循环缓冲区间接寻址的关键问题是：如何使N个循环缓冲区单元首位相邻？要做到这一点，必须利用BK（循环缓冲器长度）器存器实现按模间接寻址。可用的指令有：… *ARx+% ;增量、按模修正ARx:addr=ARx,ARx=circ(ARx+1)… *ARx-% ;减量、按模修正ARx:addr=ARx,ARx=circ(ARx-1)… *ARx+0% ;增AR0、按模修正ARx:addr=ARx,ARx=circ(ARx+AR0)… *ARx-0% ;减AR0、按模修正ARx:addr=ARx,ARx=circ(ARx-AR0)… *+ARx(lk)% ;加（lk）、按模修正ARx:addr=circ(ARx+lk),ARx=circ(ARx+AR0)其中符号“circ”就是按照BK（循环缓冲器长度）器存器中的值（如FIR滤波其中的N值），对（ARx+1）、(ARx-1)、(ARx+AR0)、(ARx-AR0)或(ARx+lk)值取模。这样就能保证循环缓冲区的指针ARx始终指向循环缓冲区，实现循环缓冲区顶部和底部单元相邻。循环寻址的算法可归纳为：if 0 index + step < BK: index = index + stepelse if index + step BK: index = index + step – BKelse if index + step < BK: index = index + step + BK上述算法中，index是存放在辅助寄存器中的地址指针，step为步长（亦即变址值。步长可正可负，其绝对值晓予或等于循环缓冲区长度BK）。依据以上循环寻址算法，就可以实现循环缓冲区首位单元相邻了。 为了使循环缓冲区正常进行，除了用循环缓冲区长度寄存器（BK）来规定循环缓冲区的大小外，循环缓冲区的起始地址的k个最低有效位必须为0。K值满足2k>N,N微循环缓冲区的长度。4 FIR滤波器在DSP上的实现对于系数对称的FIR滤波器，由于其具有线性相位特征，因此应用很广，特别实在对相位失真要求很高的场合，如调制解调器（MODEM）。例如：一个N=8的FIR滤波器，若a(n)=a(N-1-n)，就是对称FIR滤波器，其输出方程为：y(n)= a0x(n)+ a1x(n-1)+ a 2x(n-2)+ a 3x(n-3)+ a 3x(n-4)+ a 2x(n-5)+ a1x(n-6)+ a0x(n-7)总共有8次乘法和7次加法，如果改写成： y(n)= a0 [x(n)+ x(n-7)]+ a1 [ x(n-1)+ x(n-6)]+ a 2 [ x(n-2)+ x(n-5)]+ a 3 [ x(n-3)+ x(n-4)]则变成4次乘法和7次加法。可见，乘法运算的次数减少了一半。这是对称FIR的又一个优点。对称FIR滤波器C54X实现的要点如下：（1）数据存储器中开辟两个循环缓冲算区：新循环缓冲区中存放新数据，旧循环缓冲区中存放老数据。循环缓冲区的长度为N/2。 （2）设置循环缓冲区指针：AR2指向新循环缓冲区中最新的数据，AR3指向旧循环缓冲区中最老的数据。 （3）在程序存储器中设置系数表。 （4）AR2+ AR3 AH（累加器A的高位），AR2-1AR2，AR3-1 AR3 （5）将累加器B清零，重复执行4次（i=0，1，2，3）：AH*系数ai+B B,系数指针（PAR）加1。AR2+ AR3AH，AR2和AR3减1。 （6）保存和输出结果。 （7）修正数据指针，让AR2和AR3分别指向新循环缓冲区中最老的数据和旧循环缓冲区中最老的数据。 （8）用新循环缓冲区中最老的数据替代旧循环缓冲区中最老的数据，旧循环缓冲区指针减1。 （9）输入一个新的数据替代新循环缓冲区中最老的数据。 重复执行第（4）至（9）步。 在编程中要用到FIRS（系数对称有限冲击响应滤波器）指令，其操作步骤如下： FIR Xmem,Ymem,Pmem 执行 Pmad PAR 当(RC)≠0 (B)+(A(32-16))×（由PAR寻址Pmem）B ((Xmem)+(Ymem))<<16A (PAR)+1PAR (RC)-1RC FIRS指令在同一个及其周期内，通过C和D总线读2次数据存储器，同时通过P总线读一个系数 本文对FIR滤波器在DSP上的实现借助了MATLAB，其设计思路为：（1）MATLAB环境下产生滤波器系数和输入的数据，并仿真滤波器的滤波过程，可视化得到滤波器对动态输入数据的实时滤波效果；（2）将所得滤波器系数直接导入CCStudio中，再把滤波器的输入数据作为CCStudio设计的滤波起的输入测试数据存储在C54x数据空间中； （3）在CCStudio环境下结合FIR滤波的公式适用汇编语言设计FIR滤波程序，使用MATLAB产生的滤波器系数和输入测试数据进行计算，把输入数据和滤波结果借助CCStudio菜单中的View/Graph/Time/Frequency子菜单用图形方式显示出来（结果如图2）；图2 （a）输入数据（Input）图2（b）滤波后的数据（Output） 将FIR滤波的入口数据地址改为外部I/O空间或McBSP口的读写数据地址，或数据空间内建缓冲地址；将FIR滤波的结果数据地址改为外部I/O空间或McBSP口的输出数据地址，或数据空间内建缓冲地址，则完成了基于C54xDSP的实时数据FIR滤波程序。参考文献：[1] 程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社 1999年[2] 孙宗瀛,谢鸿林.TMS320C5xDSP原理设计与应用[M].北京:清华大学出版社.2002年[3] 陈亚勇等 编著.MATLAB信号处理详解[M].北京:人民邮电出版社.2001年[4] Texas Assembly Language Tools User’s Guide[5] Texas DSP Programmer’s Guide
贝赛尔(Bessel)滤波器是具有最大平坦的群延迟（线性相位响应）的线性过滤器。贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中。模拟贝赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟，因而在通频带上保持了被过滤的信号波形。滤波器的名字来自于Friedrich贝赛尔，一位德国数学家（1784–1846），他发展了滤波器的数学理论基础。
非copy：Q=XL/R，multisim10仿真就可以得出参数值，切比雪夫、贝塞尔、椭圆滤波器都可以自动生成，一般三阶以上就可以了，具体要做出实物选择最优的。
网上一下子也讲不清楚的，看书吧！ 有专门讲滤波的书！ 那样理解得更全面！ 片面理解是学不到东西的！
巴特沃斯滤波器的电路其实和普通的滤波电路没甚么区别，主要是在参数的选择上略有差异巴特沃斯滤波器的滤波结果比较平稳，的衰减比较慢。