基于Filterlab的一种高指标带通滤波器的设计

摘要：为了提取激光外差玻璃测厚系统中的微弱信号，介绍了激光外差玻璃厚度测量系统原理及待检测信号特征，采用一种简洁、实用的滤波软件，设计出一种高指标带通滤波器，从滤波器频谱图看待检测的激光外差信号频谱完全在通频带内，噪声衰减带达到80 dB，其完全符合系统要求。
关键词：激光外差技术；玻璃测厚系统；Fiterlab；滤波器

    目前，国内的大多数玻璃生产厂家采用传统的人工测量玻璃厚度，在对于一些高要求玻璃制品测量很难达到高精度，实时监控的目的，而采用激光测量结合光电检测技术，能做到实时检测的非接触型测量法还较少，且大多成本较高。随着光电检测技术的发展，激光外差技术在激光通信、雷达、测距、测速、测振等方面有了广泛的应用。在玻璃厚度测量方面，激光外差测量技术以其具有分辨率高、精度高、线性度好、动态响应快、在线非接触测量的优点，逐渐开始取代传统的测量方法。

1 激光外差玻璃测厚度系统
    玻璃厚度的测量系统中应用了激光多普勒效应和激光外差测量技术，测量原理如图1所示。

    激光干涉仪发出的变频激光通过半透镜L垂直照射于待测玻璃表面，由于激光在不同时刻的频率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光场，与其前一时刻在后表面反射后到达前表面的光场因频率不同而发生混频，产生差频信号，和频信号由半透镜L反射后到达光电转换器，光电管将接收到的光信号转换为电信号，该信号包括激光本振信号、差频信号、和频信号和噪声，其中和频信号与本振信号频率较高，超出光电管的频率响应范围，利用带通滤波器的带宽控制在中频信号范围内，即可检测到差频信号。该差频信号含有玻璃板的厚度信息，差频信号的频率为；f=λh，其频率与待测玻璃厚度成正比，比例系数λ与光源频率、玻璃板折射率以及振镜常数有关，当光源频率、玻璃板折射率以及振镜常数确定，λ为常数。根据频率差与玻璃厚度的关系，只要测得差频信号的频率，就能计算得到玻璃厚度，光电模块检测到光外差信号后，经滤波、放大后送单片机处理得到玻璃厚度。
    在激光外差测厚系统中，待测光信号经过反射，透射后衰减严重，到光电接收器十分微弱，虽然经过光电转换模块初步处理，但信号还是非常微弱，而且夹杂着大量的噪声，待检测的差频信号频率在0．2～0．8 kHz范围内，因此必须设计一高指标的带通滤波器对其进行滤波才能把差频信号提取出来。
    传统滤波器的设计过程是：1)根据阻带衰减速率要求，计算滤波器的阶数n；2)确定具体的电路形式；3)根据电路的传递函数建立系数方程组，求出电路中元件的具体参数。该方法复杂繁琐，精度不高，性能指标不尽如人意。

2 滤波器设计
2．1 Filterlab简介
    Fiherlab是一款计算机辅助滤波器设计软件，是电子工程人员设计滤波器的有力工具。其特点：1)界面简洁，操作方便简单：2)可设计各种类型低通、带通或高通滤波器；3)完善的设计向导；4)各参数的可选范围广。
    为了方便使用Fiherlab，对Butterworth，Cebyshev，Bessel3种不同函数构成的滤波器性能作比较：1)Butterworth型滤波器：通频带内电压增益最稳定，转折区斜率较陡。2)Cebyshew型滤波器：通频带内电压增益波动较大，转折区斜率最陡。3)Bessel型滤波器：通频带内电压增益有较小波动，转折区斜率平缓。
    Filterlab设计滤波器各项指标：阶数(1～8)；通带纹(0．01～3．0 dB)；阻带衰减(10～100 dB)；截止频率(0．1：Hz～1 MHz)；阻带频率(0．1 Hz～1 MHz)；品质因素Q(0．5～5．0)；通频宽比(20％～200％)。
2．2 滤波器设计
    激光外差测厚系统中待检测的差频信号0．3～0．8 kHz范围内，其含有大量噪声，整个信号只能达到毫伏级。滤波器设计要求：通频带中心频率fo=500 Hz，上限频率fH=800 Hz，下限频率fL=200 Hz，通频带外噪声衰减80 dB。应用Filterlab设计滤波器的过程如下。
    1)确定传递函数以及滤波器类型，如图2所示，设置传递函数Butterworth，ehebyshew及Besse13项可选，设置滤波器类型有低通、高通、带通可选。选择Butterworth型，带通滤波器。

    2)根据要求确定滤波器各项参数，包括阶数、转折频率及阻带衰减，具体如图3所示。设置衰减系数-80 dB，下限频率fL=300Hz，上限频率fH=800 Hz后，滤波器阶数自动生成。

    3)电路形式的选择(有4种)及电路中的电容参数的设置，如图4所示。电路中电容选择设定后，电阻的参数是自动生成的。

    4)自动生成滤波器电路如图5所示，图5中电路由4个二阶滤波器串联构成八阶滤波电路。频率特性曲线如图6所示，图6中梯形为电路频率特性曲线，半梯形斜线为相频特性特性曲线。
2．3 Filterlab应用体会
    1)Filterlab使用简便，设计滤波器时省去了烦琐参数的计算，根据需要设置参数，而且设计过程中如发现不符合要求，可返回前面修正滤波器各项参数，直到滤波器特性符合要求为止。
    2)设计的滤波器阶数n为1～8阶，阶数越高，滤波器的性能就越好，但电路也越复杂，电路的硬件安装带来不便。在设置阶数时，不要最高的，要最适合的。
    3)设计的滤波器电阻的参数是自动生成的，具体电阻值在实际中可能没有，硬件安装时需用其它值串并联后代替，会影响滤波效果。

3 结论
    激光外差玻璃测厚系统中待检测的信号是微弱信号，外差信号频谱分布在0．2～0．8 kHz，被深埋在噪声当中，需要滤除干扰。用Filt erlab设计的高阶带通滤波器，从其频谱图上看完全满足激光外差玻璃测厚系统中待检测的外差信号滤波。因Filterlab设计的滤波电路中所有元件均为理想元件，对应装配硬件的电路滤波效果会稍差，所以硬件装配时尽量选择噪声系数小的元件。