1、低通濾波器的選擇
濾波器有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。這里選用數(shù)字濾波器，因?yàn)樗鄬?duì)于模擬濾波器更容易進(jìn)行濾波代數(shù)運(yùn)算，而且它不會(huì)像模擬濾波器那樣隨時(shí)間、溫度、電壓漂移，還有就是它能實(shí)現(xiàn)近似理想的響應(yīng)和線性相位，所以能更好地達(dá)到諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。
數(shù)字濾波器有無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）系統(tǒng)和有限沖激響應(yīng)（FIR）系統(tǒng)兩種。雖然FIR濾波器相對(duì)于IIR濾波器可以得到嚴(yán)格的線性相位，但在相同技術(shù)指標(biāo)下，IIR濾波器由于存在輸出對(duì)輸入的反饋，因而可用大約1／10~1／5FIR濾波器的階數(shù)來(lái)滿足指標(biāo)的要求，從而使得所用空間少，運(yùn)算次數(shù)少，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)相位要求不高，而對(duì)計(jì)算速度要求極高，因此選擇IIR濾波器作為研究的對(duì)象。
2、利用MATLAB設(shè)計(jì)IIR濾波器
目前數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有許多現(xiàn)成的高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，但他們都存在設(shè)計(jì)效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數(shù)等缺點(diǎn)，而Matlab為數(shù)字濾波的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)直觀、高效、便捷的工具。它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中。尤其是Matlab工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以直觀而方便地進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用。其中的信號(hào)處理工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等更是為數(shù)字濾波研究的蓬勃發(fā)展提供了可能。
2．1、在Matlab中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)
許多文獻(xiàn)中在利用Matlab設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，采用先設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器，然后利用脈沖響應(yīng)不變法或者雙線性變換法，將模擬濾波器的傳輸函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，編寫(xiě)的程序比較長(zhǎng)，沒(méi)有很專(zhuān)業(yè)的知識(shí)是設(shè)計(jì)不出來(lái)的。而本文利用FDAFool工具可以非常方便地設(shè)計(jì)出數(shù)字濾波器。
FDATool（FilterDesign&AnalysisTool）是Matlab中的一種圖形用戶工具，為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)綜合、簡(jiǎn)便的圖形用戶界面。本文要設(shè)計(jì)一個(gè)諧波檢測(cè)電路中的低通濾波器，對(duì)于三相電路而言，其交流側(cè)主要是5次和7次諧波，因此本文設(shè)計(jì)的低通濾波器的指標(biāo)為：模擬信號(hào)采樣頻率Fs=2000Hz，通帶截止頻率Fpass=100Hz，阻帶截止頻率Fstop=200Hz，通帶波動(dòng)不大于0．1dB，阻帶衰減不小于32dB。在圖1界面中設(shè)置好參數(shù)，并且選擇IIR中的EllipTIc濾波器，然后點(diǎn)擊DesignFilter，即可得到所設(shè)計(jì)濾波器的模型：Order（階）=4，SecTIons（節(jié)）=2，并可觀察其幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)，還可以觀察脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、濾波器的零極點(diǎn)繪制圖以及系統(tǒng)函數(shù)的各個(gè)系數(shù)等指標(biāo)。
2．2、利用Simulink檢驗(yàn)濾波效果
打開(kāi)Simulink新建一個(gè)文件unTItledl如圖2，在FDATool界面中點(diǎn)擊RealizeModel，將設(shè)計(jì)好的濾波器模型導(dǎo)入Simulink中，然后添加三個(gè)頻率分別為50Hz、250Hz、350Hz的正弦波，利用Scope見(jiàn)察通過(guò)數(shù)字低通濾波器Filter的濾波效果。
數(shù)字低通濾波器FPGA實(shí)現(xiàn)#e#
Scopel顯示的是50Hz正弦波，Scope2顯示的是50Hz疊加上250Hz、350Hz正弦波后的波形，Scope顯示的是通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的低通濾波器后的波形，對(duì)比圖3（a）、（b）可以看出，濾波后的波形保留了50Hz的信號(hào)，且略有延遲，并將高頻部分有效地濾除，說(shuō)明設(shè)計(jì)的濾波器符合要求。
3、數(shù)字低通濾波器FPGA實(shí)現(xiàn)
數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種：
（1）采用加法器、乘法器、延時(shí)器設(shè)計(jì)專(zhuān)用的濾波電路。
（2）在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專(zhuān)用的加速處理機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
（3）用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。
（4）用專(zhuān)用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)。這種芯片將相應(yīng)的濾波算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需進(jìn)行編程。
（5）采用FPGA／CPLD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
在上述幾種方法中，第（2）種方法的缺點(diǎn)是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬。第（1）、（4）種方法專(zhuān)用性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大的限制。第（3）、（5）種方法都可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波，使用DSP器件實(shí)現(xiàn)雖然簡(jiǎn)單，但由于程序順序執(zhí)行，執(zhí)行速度必然不快。FPGA有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合于數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，相對(duì)于串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用DSP芯片來(lái)說(shuō)，其并行性和可擴(kuò)展性更好。但長(zhǎng)期以來(lái)，F(xiàn)PGA一直被用于系統(tǒng)邏輯或時(shí)序控制上，很少有信號(hào)處理方面的應(yīng)用，其原因主要是因?yàn)樵贔PGA中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題得到了解決，使FPGA在數(shù)字信號(hào)處理方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展。
在MATLAB中設(shè)計(jì)出數(shù)字低通濾波器后，得到其系統(tǒng)函數(shù)H（z）的系數(shù)，然后將系數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，再利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，而編程的過(guò)程非常繁瑣。
本文利用FDATool可以直接得到VHDL文件，在其菜單欄中的選擇Fargets＼GenerateHDL，在打開(kāi)的界面中選擇VHDLfile，建立文件名為filter．vhd，同時(shí)可以得到測(cè)試文件filtertb．vhd。利用QuartusII軟件打開(kāi)以上文件進(jìn)行編譯、綜合，最后將其下載到FPGA中即可實(shí)現(xiàn)低通濾波器的功能。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文利用Matlab中的FDATool實(shí)現(xiàn)了IIR數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)及仿真，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、直接，大大縮減了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。采用FPGA進(jìn)行濾波器的硬件設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到諧波檢測(cè)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，為電力有源濾波器諧波檢測(cè)中低通濾波器的設(shè)計(jì)提供了參考。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，可以方便地對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行修改，很容易實(shí)現(xiàn)其他各種濾波器的設(shè)計(jì)，具有一定的工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值。
