一種插入衰減法設計的前置低通濾波器的製造方法

2023-06-07 14:52:11

一種插入衰減法設計的前置低通濾波器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種插入衰減法設計的前置低通濾波器，主要包括尋求可實現的有理函數Ha(s)去逼近所要設計濾波器的頻率特性曲線、用二埠網絡的電路結構和參數值去實現Ha(s)。首先根據所提供濾波器的性能指標(σp、σs、Ωp、Ωs等)，得到「理想」頻率特性曲線(不一定可用電路實現)，再根據實際情況的要求(如對相位特性要求高的選用巴特沃思型)，選用不同的函數原型去逼近它，由此得到可實現的有理函數Ha(s)；接著根據Ha(s)確定二埠網絡的電路結構和參數值，最後得出實際模擬電路。
【專利說明】一種插入衰減法設計的前置低通濾波器

【技術領域】
[0001]本發明屬於模擬濾波器【技術領域】，具體涉及一種插入衰減法設計的前置低通濾波器。

【背景技術】
[0002]大部分採集裝置對所處理的信號，要求在頻域上是有限帶寬的一個信號(由採樣定理決定)，但是由於電力系統存在許多幹擾信號，此時就需要對輸入信號進行濾波處理(限制最高頻率)，即將原始信號先通過一個前置濾波器轉化為一個限帶信號再處理；另一方面由於晶片處理速度和硬體設備的落後，限制了採樣頻率的提升；所以為保證採樣後信號頻域不出混疊現象，必須在A/D採樣前對原始信號進行限帶濾波(前置濾波器)。此時前置濾波器性能的好壞，將直接影響對信號後續處理的精度。
[0003]在電弧故障檢測裝置(AFDD)中，前置濾波器是通過影像參數法設計的，它主要包括定K型和M推演型這兩種設計方法，這種濾波方式的不足之處是各方面的性能缺陷較大，如濾波後的相頻特性差、截止頻率不準確、阻帶特性差，而且無法對指定諧波進行保留，特別當有用信號與幹擾信號的頻帶有重疊時，需要按照隨機信號內部的一些統計分布規律最佳地提取有用信號，這種方式無法準確設計出滿足要求的前置濾波器。實際中並不嚴格要求系統函數的幅度在幹擾信號頻帶絕對為零，只要非常小就行，在有用信號頻帶也不必一定為恆定值，可以在很小的範圍內變化，只要其幅度相對較大；幅頻特性曲線也不必在某一頻率處特別陡峭。根據這點我們就可以用一種「逼近」的思想去設計不同需求的濾波器。
[0004]電弧故障檢測裝置(AFDD)中檢測電弧的一種方法:高頻電流頻譜分析。其主要思想是首先將原始信號進行限帶處理(前置濾波器)，接著利用羅氏線圈和觸發電路採集故障電弧引起的高頻電流，然後進行DFT(傅立葉變換)和數學形態濾波處理，提取出信號頻譜的輪廓特徵構造特徵向量作為識別故障電弧的特徵參數。我們可以看到這一方法的關鍵在於有效提取出故障電弧的頻域特徵參數，是靠濾波實現的。說明所設計濾波器性能的好壞是至關重要的，將直接影響最終的檢測結果。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種插入衰減法設計的前置低通濾波器，使設計出來的前置低通濾波器不但可以在通帶內波動起伏小，相頻特性良好，截止頻率定位準，而且可以根據不同的要求標準，選擇不同的階數N進行不同精度地逼近。
[0006]為實現上述目的，本發明一種插入衰減法設計的前置低通濾波器，主要包括尋求可實現的有理函數Ha(S)去逼近所要設計濾波器的頻率特性曲線、用二埠網絡的電路結構和參數值去實現Ha(S)。其特徵在於:這種方法設計濾波器的主要有以下步驟:
[0007]第一步根據所提供濾波器的性能指標(σ ρ、σ s、Ω ρ、Ω s等)，得到「理想」頻率特性曲線(不一定用電路可實現)；
[0008]第二步是逼近的過程:根據給定的頻率響應特性尋求一種可現實的有理函數Ha (s)，使它滿足設計要求；
[0009]第三步是模擬電路實現的過程:由選定的Ha(S)實現二埠網絡(即所需濾波器)的電路結構和參數值得出實際的模擬電路。
[0010]所述的第二步中涉及到若干種典型的札⑴函數主要有:巴特沃思型、切比雪夫I型、切比雪夫II型、橢圓函數型、貝塞爾型、高斯型、相位等波紋型及勒讓德型等等。
[0011]濾波器按幅度特性可分為低通、高通、帶通及帶阻濾波器，由於後3種濾波器的設計均可由低通濾波器轉化而來(經過模擬頻率變換)，因此本發明只介紹前置低通濾波器的設計，其Ha(S)採用的是巴特沃思型。
[0012]為實現上述目的，本發明採用的具體技術方案如下:
[0013]所述的第一步根據濾波器性能指標:通帶內的最大衰減σ ρ、阻帶內最小衰減σ s、通帶終止頻率Ωρ、阻帶起始頻率Qs，確定巴特沃思濾波器實現時所需階數N和截止頻率Ω。，從而得到可實現的有理函數Ha (S)表達式。
[0014]所述的第三步根據濾波器階數N和考爾I型電路，查表得到巴特沃思低通濾波器的歸一化電路。其中Rs和&分別為信號源內阻和負載電阻，這種電路也稱為達林頓電路結構。Z11(S)是無損LC濾波網絡與負載電阻&共同組成的一埠輸入阻抗，它滿足一埠策動點阻抗函數的正實性，可以用一埠網絡綜合法實現它的具體電路。
[0015]所述的第三步將上述得到的電路裡LC元器件值通過公式去歸一化得到實際電感、電容值，從而得到實際電路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是濾波器設計框圖
[0017]圖2是達林頓電路結構圖。
[0018]圖3是本實施例的電路原理圖。
[0019]圖4是AFDD中故障電弧頻譜特徵向量提取框圖。
各標號分別為:
Es:信號源，Rs:信號源內阻，Rl:負載電阻，Z11 (s):輸入阻抗，a和a』、b和b』為LC無損二埠網絡；
σρ:通帶內的最大衰減，os:阻帶內最小衰減，Ωρ:通帶終止頻率，Ω3:阻帶起始頻率，Ha(S):有理函數;
1:前置濾波器(限帶濾波)，2:A/D採集裝置，3:信號處理(濾波)，4 =DFT變換，5:故障電弧頻譜特徵向量提取裝置。

【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明的具體實施進行描述，以便本領域的技術人員更好的理解本發明。
[0021]參見圖1，濾波器設計框圖。主要包括尋求可實現的有理函數Ha(S)去逼近所要設計濾波器的頻率特性曲線、用二埠網絡的電路結構和參數值去實現札(8)。根據所提供濾波器的性能指標(σρ、os、Ωρ、03等)，求出滿足條件的頻率特性響應(不一定用電路可實現)，並畫出其曲線圖，再根據實際情況的要求，尋求不同的函數原型去逼近它，得到可實現的有理函數Ha(S);再根據Ha(s)確定二埠網絡的電路結構和參數值，得出實際模擬電路。
[0022]參見圖2，達林頓電路結構圖，主要包括信號源Es、信號源內阻Rs、負載電阻Rp LC無損二埠網絡分別為I和I』、2和2』，其中LC無損二埠網絡的綜合原理是以一埠網絡Z11 (s)綜合原理為基礎的，或者說要把達林頓電路結構的設計轉化為一個一埠網絡Z11(S)的實現問題，濾波器插在負載電阻&和內阻為Rs的信源之間。
[0023]參見圖3，本實施例的電路原理圖，主要包括信號源Es、信號源內阻Rs = 600、負載電阻& = 600、LC無損二埠網絡，其中LC無損二埠網絡各個參數的值分別為L1=5.61mH、C2 = 0、038uF、L3 = 13.63mH、C2 = 0、016uF。實現了以下技術指標的低通濾波器:通帶內的最大衰減σ ρ =-ldB、阻帶內最小衰減σ s =-15dB、通帶終止頻率Ωρ =
2Ji X104rad/s、阻帶起始頻率Ω s = 2 Ji X2X104rad/s。此實施例中採用的逼近函數為階數N = 4，截止頻率Ω。= 2 Ji X 1.304X 104rad/s的巴特沃思濾波器。
[0024]工作原理:①當輸入信號頻率Ω = O時，頻率特性曲線衰減量的分貝值為OdB，即以原點的最大平坦性來逼近理想低通濾波器；②當輸入信號頻率在通帶範圍O < Ω 03時，頻率特性曲線最小衰減量的分貝值為-15dB，即10(_15/2°);⑤無論輸入信號頻率Ω在通帶、阻帶(或過渡段)內，其頻率曲線都是呈單調下降的。
[0025]參見圖4，是AFDD(電弧故障檢測裝置)中故障電弧頻譜特徵向量提取框圖，主要包括前置濾波器(限帶濾波)1、A/D採集裝置2、信號處理(濾波)3、DFT變換4、故障電弧頻譜特徵向量提取裝置5。該故障電弧檢測方法是基於迴路電流中高頻分量的特徵提取的。從其特徵向量提取流程可知，第一步的預處理(前置濾波器)是至關重要的，它性能的優劣直接會影響所提取的特徵向量，從而導致無法準確判斷是否產生了故障電弧。
【權利要求】
1.一種插入衰減法設計的前置低通濾波器，主要包括尋求可實現的有理函數Ha(S)去逼近所要設計濾波器的頻率特性曲線、用二埠網絡的電路結構和參數值去實現Ha(s)，其特徵在於:這種方法設計濾波器的主要有以下步驟: (1)第一步根據所提供濾波器的性能指標(op、os、Ωρ、03等)，得到「理想」頻率特性曲線(不一定用電路可實現)； (2)第二步是逼近的過程:根據給定的頻率響應特性尋求一種可現實的有理函數Ha (S)，使它滿足設計要求: a)所述的第二步中涉及到若干種典型的Ha(S)函數主要有:巴特沃思型、切比雪夫I型、切比雪夫II型、橢圓函數型、貝塞爾型、高斯型、相位等波紋型及勒讓德型； b)濾波器按幅度特性可分為低通、高通、帶通及帶阻濾波器，由於後3種濾波器的設計均可由低通濾波器轉化而來(經過模擬頻率變換)，因此本發明只介紹前置低通濾波器的設計，其Ha(S)採用的是巴特沃思型； (3)第三步是模擬電路實現的過程:由選定的Ha(S)實現二埠網絡(即所需濾波器)的電路結構和參數值得出實際的模擬電路。
2.根據權利要求1所述的一種插入衰減法設計的前置低通濾波器，其採用的技術方案具體特徵為: (1)所述的第一步根據濾波器性能指標:通帶內的最大衰減σρ、阻帶內最小衰減os、通帶終止頻率Ωρ、阻帶起始頻率Qs，確定巴特沃思濾波器實現時所需階數N和截止頻率Ω。，從而得到可實現的有理函數Ha (S)表達式； (2)所述的第三步根據濾波器階數N和考爾I型電路，查表得到巴特沃思低通濾波器的歸一化電路，其中Rs和&分別為信號源內阻和負載電阻，這種電路也稱為達林頓電路結構，Z11 (S)是無損LC濾波網絡與負載電阻&共同組成的一埠輸入阻抗，它滿足一埠策動點阻抗函數的正實性，可以用一埠網絡綜合法實現它的具體電路。 (3)所述的第三步將上述得到的電路裡LC元器件值通過公式去歸一化得到實際電感、電容值，從而得到實際電路。
3.根據權利要求1所述的一種插入衰減法設計的前置低通濾波器，其特徵在於:不但可以在通帶內波動起伏小，相頻特性良好，截止頻率定位準，而且可以根據不同的要求標準，選擇不同的階數N進行不同精度地逼近。
【文檔編號】H01P1/203GK104241739SQ201410238915
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年5月31日 優先權日:2014年5月31日
【發明者】周格伊, 劉兵, 黃振樂, 劉凱霞 申請人:浙江合極電氣科技有限公司