基于Filterlab的一種高指標帶通濾波器的設計

摘要：為了提取激光外差玻璃測厚系統中的微弱信號，介紹了激光外差玻璃厚度測量系統原理及待檢測信號特征，采用一種簡潔、實用的濾波軟件，設計出一種高指標帶通濾波器，從濾波器頻譜圖看待檢測的激光外差信號頻譜完全在通頻帶內，噪聲衰減帶達到80 dB，其完全符合系統要求。
關鍵詞：激光外差技術；玻璃測厚系統；Fiterlab；濾波器

目前，國內的大多數玻璃生產廠家采用傳統的人工測量玻璃厚度，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達到高精度，實時監控的目的，而采用激光測量結合光電檢測技術，能做到實時檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高。隨著光電檢測技術的發展，激光外差技術在激光通信、雷達、測距、測速、測振等方面有了廣泛的應用。在玻璃厚度測量方面，激光外差測量技術以其具有分辨率高、精度高、線性度好、動態響應快、在線非接觸測量的優點，逐漸開始取代傳統的測量方法。

1 激光外差玻璃測厚度系統
玻璃厚度的測量系統中應用了激光多普勒效應和激光外差測量技術，測量原理如圖1所示。

激光干涉儀發出的變頻激光通過半透鏡L垂直照射于待測玻璃表面，由于激光在不同時刻的頻率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光場，與其前一時刻在后表面反射后到達前表面的光場因頻率不同而發生混頻，產生差頻信號，和頻信號由半透鏡L反射后到達光電轉換器，光電管將接收到的光信號轉換為電信號，該信號包括激光本振信號、差頻信號、和頻信號和噪聲，其中和頻信號與本振信號頻率較高，超出光電管的頻率響應范圍，利用帶通濾波器的帶寬控制在中頻信號范圍內，即可檢測到差頻信號。該差頻信號含有玻璃板的厚度信息，差頻信號的頻率為；f=λh，其頻率與待測玻璃厚度成正比，比例系數λ與光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數有關，當光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數確定，λ為常數。根據頻率差與玻璃厚度的關系，只要測得差頻信號的頻率，就能計算得到玻璃厚度，光電模塊檢測到光外差信號后，經濾波、放大后送單片機處理得到玻璃厚度。
在激光外差測厚系統中，待測光信號經過反射，透射后衰減嚴重，到光電接收器十分微弱，雖然經過光電轉換模塊初步處理，但信號還是非常微弱，而且夾雜著大量的噪聲，待檢測的差頻信號頻率在0．2～0．8 kHz范圍內，因此必須設計一高指標的帶通濾波器對其進行濾波才能把差頻信號提取出來。
傳統濾波器的設計過程是：1)根據阻帶衰減速率要求，計算濾波器的階數n；2)確定具體的電路形式；3)根據電路的傳遞函數建立系數方程組，求出電路中元件的具體參數。該方法復雜繁瑣，精度不高，性能指標不盡如人意。

2 濾波器設計
2．1 Filterlab簡介
Fiherlab是一款計算機輔助濾波器設計軟件，是電子工程人員設計濾波器的有力工具。其特點：1)界面簡潔，操作方便簡單：2)可設計各種類型低通、帶通或高通濾波器；3)完善的設計向導；4)各參數的可選范圍廣。
為了方便使用Fiherlab，對Butterworth，Cebyshev，Bessel3種不同函數構成的濾波器性能作比較：1)Butterworth型濾波器：通頻帶內電壓增益最穩定，轉折區斜率較陡。2)Cebyshew型濾波器：通頻帶內電壓增益波動較大，轉折區斜率最陡。3)Bessel型濾波器：通頻帶內電壓增益有較小波動，轉折區斜率平緩。
Filterlab設計濾波器各項指標：階數(1～8)；通帶紋(0．01～3．0 dB)；阻帶衰減(10～100 dB)；截止頻率(0．1：Hz～1 MHz)；阻帶頻率(0．1 Hz～1 MHz)；品質因素Q(0．5～5．0)；通頻寬比(20％～200％)。