基于Filterlab的一種高指標(biāo)帶通濾波器的設(shè)計

摘要：為了提取激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中的微弱信號，介紹了激光外差玻璃厚度測量系統(tǒng)原理及待檢測信號特征，采用一種簡潔、實用的濾波軟件，設(shè)計出一種高指標(biāo)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(nèi)，噪聲衰減帶達到80 dB，其完全符合系統(tǒng)要求。
關(guān)鍵詞：激光外差技術(shù)；玻璃測厚系統(tǒng)；Fiterlab；濾波器

目前，國內(nèi)的大多數(shù)玻璃生產(chǎn)廠家采用傳統(tǒng)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(jiān)控的目的，而采用激光測量結(jié)合光電檢測技術(shù)，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(shù)的發(fā)展，激光外差技術(shù)在激光通信、雷達、測距、測速、測振等方面有了廣泛的應(yīng)用。在玻璃厚度測量方面，激光外差測量技術(shù)以其具有分辨率高、精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、在線非接觸測量的優(yōu)點，逐漸開始取代傳統(tǒng)的測量方法。

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

激光干涉儀發(fā)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(fā)生混頻，產(chǎn)生差頻信號，和頻信號由半透鏡L反射后到達光電轉(zhuǎn)換器，光電管將接收到的光信號轉(zhuǎn)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(yīng)范圍，利用帶通濾波器的帶寬控制在中頻信號范圍內(nèi)，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(shù)λ與光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)有關(guān)，當(dāng)光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)確定，λ為常數(shù)。根據(jù)頻率差與玻璃厚度的關(guān)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(jīng)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(tǒng)中，待測光信號經(jīng)過反射，透射后衰減嚴(yán)重，到光電接收器十分微弱，雖然經(jīng)過光電轉(zhuǎn)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(nèi)，因此必須設(shè)計一高指標(biāo)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(tǒng)濾波器的設(shè)計過程是：1)根據(jù)阻帶衰減速率要求，計算濾波器的階數(shù)n；2)確定具體的電路形式；3)根據(jù)電路的傳遞函數(shù)建立系數(shù)方程組，求出電路中元件的具體參數(shù)。該方法復(fù)雜繁瑣，精度不高，性能指標(biāo)不盡如人意。

2 濾波器設(shè)計
2．1 Filterlab簡介
Fiherlab是一款計算機輔助濾波器設(shè)計軟件，是電子工程人員設(shè)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(shè)計各種類型低通、帶通或高通濾波器；3)完善的設(shè)計向?qū)В?)各參數(shù)的可選范圍廣。
為了方便使用Fiherlab，對Butterworth，Cebyshev，Bessel3種不同函數(shù)構(gòu)成的濾波器性能作比較：1)Butterworth型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益最穩(wěn)定，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率較陡。2)Cebyshew型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益波動較大，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率最陡。3)Bessel型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益有較小波動，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率平緩。
Filterlab設(shè)計濾波器各項指標(biāo)：階數(shù)(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(zhì)因素Q(0．5～5．0)；通頻寬比(20％～200％)。