带通滤波器设计最新123.doc

武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书目录1 技术指标12 设计方案及其比较12.1方案一12.2 方案二42.3方案比较73 实现方案83.1实现方案所用到的元器件83.2实现方案的原理图83.3实现方案的原理分析93.4实现方案的实物图104 调试过程及结论104.1调试过程104.2调试及结论115 心得体会126 参考文献13 带通滤波器设计1 技术指标设计一个带通滤波器要求其技术指标要满足一下标准：上限截止频率：f=30kHz,下限截止频率：f=5KHz通频带带宽：Bw=25KHz,阻带衰减速率为：-40dB/10倍频电压增益：4Av92 设计方案及其比较2.1方案一2.1.1相关介绍滤波器:滤波器在电子电路中是一种对干扰信号或是无用的信号进行滤除的一种装置，包括电抗性元件L、C构成的无源滤波器、由集成运算放大器组成的有源滤波放大器，以及三极管滤波器等。滤波器分类:j 按滤波器的组成元件的不同可以分为无源滤波器和有源滤波器。k 按照滤波器的频率特性不同，滤波器通常可以分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。两类响应巴特沃斯响应（最平坦响应）巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。切贝雪夫响应在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。2.1.2带通滤波的原理 带通滤波器是由高通RC环节和低通RC环节组成。要将高通的下限截止频率2设置小于低通的上限截止频率1。设计如图：高通滤波器低通滤波器Vi VoA阻带通带阻带O图1 有源带通滤波器 在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是元件的组合，在分析时利用“拉普拉斯”变换将电流电压变成“像函数”同时引入运算阻抗代替无源元件，求解有源滤波器的传递函数。将信号从时域转变到频域，输入输出信号都可分解成若干频率信号。传递函数： je-j （2-1-1）它有幅频特性Ajw,相频特性。对于有源滤波器利用运放实现放大作用，所以RC环节实现滤波功能。其中有n个RC滤波环节就为n阶滤波，越多越好！运放使滤波器与负载隔离，增强了带负载的能力。2.1.3方案一的电路设计设计如图：图2 带通滤波方案一电路图图3 方案一的幅频特性曲线由此计算其高频和低频指标。对于节点1、2分别列写KCL方程：1R1+1R2+SC1+SC2V1s-1R1Vis-1R2Vos- SC2 V2s=0 （2-1-2） 1R3+SC2V2s- SC2 V1s=0 （2-1-3）若其电压增益为A，则V2s=1AVos （2-1-4）则由上式联立得电路转移函数： Hs=VosVis=SAR1C1S2+S1R1+1R21C1+1R31C1+1C2-AR2C1+1R1+1R21R 3 C1C2 （2-1-5）所以截止角频率：WD2=1R 3 C1C21R1+1R2 （2-1-6） Q=0B或f0BB0时，0=2f0 （2-1-7） =1+RfR5Av2 （2-1-8） f上=12R1C1，f下=12R3C2 （2-1-9） 2.2 方案二2.2.1方案二的电路设计设计如图：图4 带通滤波方案二电路图图5 方案二的幅频特性曲线2.2.2上电路设计中低通滤波的相关计算常用的有源二阶低通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈有源二阶低通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。在此主要介绍上电路设计中用到的压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。具体的电路如图：图6 压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路图7 上图低通滤波器的幅频响应以上电路的信号从运放的同相输入端输入，故滤波器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，运放和 R5、R8组成电压控制电压源，因此称为压控电压源LPF。并且电容C3原来是接地的，改为接到输出端，形成集成运算放大器的正反馈。对于这个反馈，左边的电容C3使相位超前，右边的C4仍使相位滞后。只要参数选的合适，可使整个电路在f0附近既带有正反馈而又不造成自激振荡。这样，就可使滤波器f= f0附近的电压增益提高，使f= f0附近的对数幅频特性接近理想的水平线。低通滤波器的归一化传递函数为：As=AvS2+S1Q+1，其巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母为S2+21Q+1，与其比较得Q=22，该低通电路的传递函数为：AS=Av1R5R6C3C4S2+1 R5C4 +1 R6C4 +1-Av1 R6C3 S+1R5R6C3C4 （2-2-1） 与附表中低通滤波器传输函数的通用表达式相比较，可得滤波器性能参数的表达式如此下： 低通滤波器的截止角频率，Wc=1R5R6C3C4=2fc （2-2-2） WcQ=1 R5C4 +1 R6C4 +1-Av1 R6C3 （2-2-3） Av=1+ R8 R7 （2-2-4） Q称为滤波器的品质因数，由上式可知，当按比例调节电阻和电容时，可以改变Wc的值，但对Q和Av的值没有影响，为了使幅频特性不出现凸峰，Q通常取0.7。图6电路的复数频率特性为： Av=Av1-c2-cj1Q- =Av1-fcf2-fcfj1Q （2-2-5）对数幅频特性为：20lgAvAv=20lg11-fcf22+fcfj1Q2 （2-2-6） 2.2.3上电路设计中高通滤波的相关计算高通滤波器是一种用来传输高频信号，抑制或衰减低频信号的电路。滤波器的阶数越高，幅频特性越接近理想高通特性。常用的有源二阶高通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈有源二阶高通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路。而主要介绍上述方案中用到的压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路。具体设计如下图：图8 压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路图9 上图低通滤波器的幅频响应该电路的传递函数：AS=AvS2S2+1 R1C1 +1 R1C2 +1-Av1 R2C1 S+1R1R2C1C2 =AvSS2+QS+2 （2-2-7） 其中：Av=1+R4R3 （2-2-8） c=1R1R2C1C2 （2-2-9） WcQ=1 R1C1 +1 R1C2 +1-Av1 R2C1 （2-2-10）图8电路的复数频率特性为： Av=Av1-c2-cj1Q =Av1-fcf2-fcfj1Q （2-2-11）对数幅频特性为：20lgAvAv=20lg11-fcf22+fcfj1Q2 （2-2-12）其中Q=12 2.3方案比较方案一和方案二的比较：j方案一和方案二的不同体现在滤波的阶数上，方案一是二阶滤波，方案二是四阶滤波，其对应的幅频响应的斜率分别为-20dB每十倍频，-40dB每十倍频。斜率的绝对值越大越能接近滤波器的理想状态，越精确。k其次他们的不同还体现在滤波器电路中所用的运放上，方案一用了一个运放，而方案二中运用了两个运放。两个运放相对于一个使输出的阻抗变得更低，使RC滤波器与负载隔离，有更好的带负载能力，使滤波器的参数将更不易受负载影响。并且此处的运放为同相比例放大电路，对电路有放大作用，方案二提高了放大倍数。l该电路都采用了压控型滤波器。正反馈的加入使滤波器在f0附近的电压增益提高，使f0附近的对数幅频特性接近理想的水平线。方案二现对于一能更好地实现该优势。3 实现方案通过两种方案的比较可以看出方案二更有优势，更能使带通滤波的特性展现出来，所以最后选择了方案二，作为实现方案。3.1实现方案所用到的元器件表1 实现方案所用的元器件序号名称型号规格数量备注1面包板12电阻8.2k43电阻47 k24电阻27k25运算放大器UA74126电容68127电容68223.2实现方案的原理图其原理图如下：图10 带通滤波的仿真图其幅频特性曲线：图11 带通滤波电路的幅频特性曲线3.3实现方案的原理分析该方案由压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路和压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路组成。低通滤波器提供上限截止频率，高通滤波器提供下限截止频率，二者结合出现通频带。上图中，左边是高通滤波器，右边是低通滤波器。图中R4与R5 、R7 与R8实现对输入信号的放大，和两个运放构成同相比例放大电路。R1与C1、R2与C2构成高通滤波器，R2引入正反馈，使相位超前，R1使相位落后，只要参数合适，可以使fo附近既有正反馈又不造成自激振荡。这样就使fo附近的电压增益提高，又使其附近的对数幅频特性接近理想水平线。同样的R5与C4、R6与C3构成低通滤波器，C4引入正反馈，作用同R2。由f上=12R5R6C3C4得：f上= 28.9kHz由f下=12R1R2C1C2得：f下= 2.89kHz通频带：Bw=26 kHz, 阻带衰减速率为：-40dB/10倍频3.4实现方案的实物图图12 实物图4 调试过程及结论4.1调试过程对于一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全的考虑各种复杂的客观因素，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。4.1.1调试前的检查在电子元件安装完毕后，我们在宿舍用万用表进行了测试，看导线、电阻是否正常工作。以及检查连线是否正确。我们按照电路图以一定的顺序检查安装的线路，看到没有错误。4.1.2调试方法与原则(1)通电观察把经过检查的电路接入到准确测量的电源中。观察有无异常现象，主要包括有无元件发热，甚至冒烟有异味，电源是否有短路现象等，如果有这类的现象，应该立即断开电源，排除故障后再重新通电。（2）动态调试在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流方向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障和与理论值有太大偏差就要排查检测出原因，然后及时的改正（3）调试的注意事项在调试时为了保证效果，必须尽量的减小测量误差，提高测量精度。要注意以下几点：正确地使用仪器的接地端。正确选择测量点。测量点不同对同一台仪器可能得到不同的测量值。在运放的电源端一定要争取的接入电源，我们在调试时就没有接入-12v，结果不能出来预期的图形。4.2调试及结论 在对电路进行调试时如果电路没有问题，就主要观测器带通功能的实现是否合理，经过验证看到下限截止频率为2.81kHZ,上限截止频率为28.7 kHZ,和理论值相当，大致符合技术指标的要求。图13 在3.6KHz下的输出波形5 心得体会 在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号，有些频率是不需要干扰信号频率分量。如果这两个信号在频率成分上有较大的差别，就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。为了解决上述问题，我们必须要采用滤波电路，这就是这次课设的意义所在。而对于我来说：通过这此课程设计，首先最大的收获就是认识了面包板，面包板是一个很好的电路搭建平台，它简单容易操作，对操作技术没有过高的要求，很适合我们学生用，其次通过这次课设让我更好地认识到了protues软件在电路仿真中的应用，它的功能是很强大的！最后这次课设也让我跟好的掌握了滤波器的特性，特别是带通滤波器的特性及实现，让我接触到了很多在模电书中没有深入了解的知识，如Q品质因数，传递函数，巴特沃斯特性和切比雪夫特性。 在刚拿到课设的课题及要求时，感觉自己有种无弄能为力的感觉，因为当时我们的老师并没有将很多关于滤波器方面的知识，而与电容电感这些元器件有关的计算向来就比较麻烦，自己就有点怕，但是还好自己并没有被这种心理所驯服，自己在网上收资料，去图书馆，看模电书，自己一点点的学。先在模电书上第三章的一阶RC低通高通滤波电路的引入开始，了解RC低通滤波电路的特点：电阻在前，电容在后；RC高通滤波电路的特点：电容在前，电阻在后；并在深入了解其相应的计算后，就通过第八章有源滤波器的学习更加深入的了解了低通滤波和高通滤波、带阻滤波、带通滤波的特点，及其实现方案，当然书本上的知识有限，要想再深一步的了解还要通过上网、图书馆查阅相关的资料。弥补了课本知识的不足。而等到把原理差不多弄懂之后，在实现电路时我们又遇见了难题，因为我们以前从来就没有接触过面包板，更别提在上面连电路了。所以我们就先查下面包板一般的特点，这就了解了它是竖着接通，横着断开，最上面和最下面的按一定的规律横着也导通。最后经过不懈的