毕业设计（论文）-有源滤波器的系统设计.doc

毕业设计说明书 论文 设计 论文 题目 有源滤波器的系统设计 专 业 通信技术 班 级 通技 06 2 学 号 姓 名 指导教师 二 八年十二月三十日 四川信息职业技术学院毕业设计 论文 任务书四川信息职业技术学院毕业设计 论文 任务书 学 生 姓 名 学号班级通技 06 2专业通信技术 设计 或论文 题目有源滤波器的系统设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 刘雪亭讲师四川信息职业技术学院电子系教师谭望春 高级 工程师 四川九洲光电科技股份有限公司设计 论文 内容 介绍几种多种信号发生电路的设计方案 论证其性能的优劣 要求本设计有如下要求 1 设计二阶有源低通滤波器 要求截止频率 fH 1000Hz 2 设计二阶有源高通滤波器 要求截止频率 fL 20Hz 3 设计二阶有源带通滤波器 要求截止频率 f0 1000Hz 4 设计二阶有源带阻滤波器 要求截止频率 f0 50Hz 选作 进度安排 第一阶段 2008 09 2008 10 完成资料的收集 第二阶段 2008 10 2008 11 完成硬件设计 即完成单元电路及总电路图的设计和工作原理的 叙述 电路性能指标的验算 第三阶段 2008 11 2008 12 进行调试 仿真 编写报告准备答辩 主要参考文献 资料 写清楚参考文献名称 作者 出版单位 1 谢自美 电子线路设计 实验 测试 武汉 华中科技大学出版社 2006 2 陆坤等 电子技术设计 北京 电子工业出版社 2001 3 马建国 电子系统设计 北京 高等教育出版社 2005 4 钱照明 叶忠明 董伯藩 谐波抑制技术 电力系统自动化 1997 21 10 审 批 意 见 教研室负责人 年 月 日 备注 任务书由指导教师填写 一式二份 其中学生一份 指导教师一份 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 I 目 录 摘 要 1 第 1 章 设计任务分析 2 1 1 题目分析 2 1 2 给定条件分析 2 1 3 工作原理分析 3 第 2 章 方案设计 5 2 1 巴特沃思滤波器的选取 5 2 2 电压控制电压源 VCVS 电路的选取 5 第 3 章 各种滤波器电路的设计 7 3 1 VCVS 二阶低通滤波器设计 7 3 2 VCVS 二阶高通滤波器设计 8 3 3 VCVS 二阶带通滤波器设计 9 3 4 VCVS 二阶带阻滤波器设计 10 第 4 章 各部分定性说明以及定量计算 12 4 1 VCVS 二阶低通滤波器误差分析 12 4 2 VCVS 二阶高通滤波器误差分析 12 4 3 VCVS 二阶带通滤波器误差分析 12 4 4 VCVS 二阶带阻滤波器误差分析 13 总 结 14 致 谢 15 参考文献 16 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 16 页 摘 要 有源滤波器是一种使有用频率信号通过而同时抑制或有效衰减无用频率信号的 电子装置 工程上常用它进行信号处理 数据传送和抑制干扰等 有源一般由集成 运放与 RC 网络构成 分为高通滤波器 低通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器等 类型 在设计将介绍这四个源滤波器的波形特征及设计方法 关键词 有源滤波器 波形特征 集成运放 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 16 页 第 1 章 设计任务分析 方案要求 利用教材中有源滤波器理论知识 并查阅必要的资料 设计低通 高通 带通和带阻有源滤波器 有源滤波器快速设计方法具有计算简单 元器件少 电路调整方便等优点 通 过这次设计 要求掌握最基本的二阶滤波器设计方法与性能参数测试技术 并具备 设计高阶滤波器的能力 1 1 题目分析 滤波器是一种只传输指定频段信号 抑制其它频段信号的电路 滤波器分为无 源滤波器与有源滤波器两种 无源滤波器 由电感 L 电容 C 及电阻 R 等无源元件组成 有源滤波器 一般由集成运放与 RC 网络构成 它具有体积小 性能稳定等 优点 同时 由于集成运放的增益和输入阻抗都很高 输出阻抗很低 故有源滤波 器还兼有放大与缓冲 作用 利用有源滤波器可以突出有用频率的信号 衰减无用频率的信号 抑制 干扰和噪声 以达到提高信噪比或选频的目的 因而有源滤波器被广泛应用于通信 测量及控制技术中的小信号处理从功能来上有源滤波器分为 低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 带阻滤波器 BEF 其中前四种滤波 器间互有联系 LPF 与 HPF 间互为对偶关系 当 LPF 的通带截止频率高于 HPF 的 通带截止频率时 将 LPF 与 HPF 相串联 就构成了 BPF 而 LPF 与 HPF 并联 就 构成 BEF 在实用电子电路中 还可能同时采用几种不同型式的滤波电路 滤波电 路的主要性能指标有通带电压放大倍数 AVP 通带截止频率 fP 及阻尼系数 Q 等 1 2 给定条件分析 二阶低通滤波器 截止频率 增益为 Hzfh1000 4 v A 二阶高通滤波器 截止频率 增益为 Hzfl200 4 v A 二阶带通滤波器 中心频率 增益为 Hzfl1000 4 v A6 Q 二阶带阻滤波器 中心频率 增益为 Hzf50 0 1 v A8 Q 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 16 页 1 3 工作原理分析 有源滤波器是指利用放大器 电阻和电容组成的滤波电路 其功能是使一定频 率范围内的信号通过 抑制或急剧衰减此频率以外的信号 可用在信息处理 数据 传输 抑制干扰等方面 但因受运算放大器频带限制 这种滤波器主要用于低频范 围 根据对频率范围的选择不同 可分为低通 高通 带通和带阻四种滤波器 它 们的幅频特性如图 1 1 所示 a 低通 b 高通 c 带通 d 带阻 图 1 1 滤波器的幅频特性 低通滤波器 它的功能是通过从零到某一截止角频率的低频信号 而对大于 H 的所有频率则完全衰减 其带宽 H H BW 高通滤波器 在范围内的频率为阻带 高于的频率为通带 理论 L 0 L 上说 它的带宽 但实际上 由于受有源器件带宽的限制 高通滤波电路 BW 的带宽也是有限的 带通滤波器 为其低边截止角频率 为其高边截止角频率 为中心角 L H 0 频率 它有两个阻带 和 其带宽为 L 0 H LH BW 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 16 页 带阻滤波器 它的功能是衰减到间的信号 它有两个通带 及 L H L 0 一个阻带 同理 由于受有源器件带宽的限制 通常 H HL 也是有限的 H 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 16 页 第 2 章 方案设计 2 1 巴特沃思滤波器的选取 具有理想的幅频特性的滤波器是很难实现的 只能用实际的滤波器的幅频特性 去逼近理想的 如要同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更加困难了 如要 同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更加困难了 因此 一般有源滤波器的 设计 是根据所要求的幅频和相频响应 寻找可实现的有理函数进行逼近设计 以 达到最佳的近似理想特性 常用的逼近方法是巴特沃思 Butterwoth 最大平坦响应 切比雪夫 Chebysher 等波动响应及贝赛尔 Bessel 函数等 利用它们设计的滤 波器 各有不同的特点 巴特沃思滤波器 这是一种幅度平坦的滤波器 即其幅频响应从零到衰减 3dB 的截止频率 c 处几乎是完全平坦的 但在截止频率附近有蜂起 对阶跃响应有过冲 和振铃现象 过渡带以中等速度下降 下降为 6ndB 十倍频 n 为滤波器的阶数 有轻微的非线性相频响应 适用于一般的滤波器 切比雪夫滤波器 这种滤波器在通带内存在等纹波动 而衰减度比同阶数的巴 特沃思滤波器大 宽的通带波纹容限增大了其传输带衰减速率 但相位响应畸变较 大 适用于需要快速衰减的场合 如信号调制解调电路 贝赛尔滤波器 这种滤波器的相位响应较平坦 但其幅频响应衰减过早 对阶 跃响应过冲极少 有最少的时间延迟特性 下降陡度差 适用于传递脉冲型的波形 信号 能把过冲或振铃现象抑制到最小 也可用于相敏信号处理 常用于要求波形 失真小的传送系统中 经分析选择巴特沃思滤波器 2 2 电压控制电压源 VCVS 电路的选取 实现二阶滤波器传输函数的常用电路有电压控制电压源 VCVS 电路和无限 增益多路反馈 MFB 电路 电压控制电压源 VCVS 电路 电压控制电压源电路中的集成运放为同相输 入接法 因此滤波器的输入阻抗很高 输出阻抗很低 滤波器相当于一个电压源 故称这种电路为电压控制电压源电路 其优点是 电路性能稳定 增益容易调节 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 16 页 无限增益多路反馈 MFB 电路 无限增益多路反馈电路中的集成运放为反相 输入接法 由于放大器的开环增益为无限大 反相输入端可视为虚地 其优点是电 路有倒相作用 使用元件较少 但增益调节不太方便 并且对其性能参数会有影响 故应用范围比 VCVS 电路要小 经分析选取电压控制电压源 VCVS 电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 16 页 第 3 章 各种滤波器电路的设计 3 1 VCVS 二阶低通滤波器设计 图 3 1 VCVS 二阶低通滤波器 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号 如图 3 1 所示 为典型 的二阶有源低通滤波器 它由两级 RC 滤波环节与同相比例运算电路组成 其中第 一级电容 C 接至输出端 引入适量的正反馈 以改善幅频特性 信号从运放的同相 端输入 故滤波器的输入阻抗很大 输出阻抗很小 运放 A 和 R3 Rf组成电压控制 的电压源 因此称为压控电压源 LPF 优点是电路性能较稳定 增益容易调节 这种滤波器的传递函数为 2121221211 2 2121 11 1 11 1 CCRR s CR A CRCR s RRCC A sU sU sA uo uo i o u 22 2 c c cuo s Q s A 式中 由于 s 为二次幂 故称为二阶 LPF 其中 截止频率为 2121 1 CCRR c 即 2 1 2121 2 1 CCRR fc 通带增益为 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 16 页 3 4 1 R R Auo 121211 1 1 11 CR A CRCRQ uo c Q 称为滤波器的品质因数 由以上四式可知 当按比例调节 R1 R2 或 C1 C2 时 可以改变的值 但对 Q 和 Auo的值没有影响 为了使幅频特性不出现凸峰 c Q 通常取 0 7 3 2 VCVS 二阶高通滤波器设计 图 3 2 VCVS 二阶高通滤 与低通滤波器相反 高通滤波器用来通过高频信号 衰减或抑制低频信号 高 通滤波器是一种用来传输高频段信号 抑制或衰减低频段信号的电路 滤波器的阶 数越高 幅频特性越接近理想高通特性 只要将图 3 2 低通滤波电路中起滤波作用的电阻 电容互换 即可变成二阶有 源高通滤波器 如图 3 2 所示 高通滤波器性能与低通滤波器相反 其频率响应和 低通滤波器是 镜象 关系 仿照 LPH 分析方法 不难求得 HPF 的幅频特性 该电路 的传递函数为 2121112212 2 2 11 1 11 CCRR s CR A CRCR s sA sA uo uo u 22 c c uo s Q s sA 其中 3 4 1 R R Auo 2121 1 CCRR c 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 16 页 11222 1 1 1 1 1 CR A CRCRQ uo c 3 3 VCVS 二阶带通滤波器设计 图 3 3 VCVS 二阶带通滤波器 这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过 而比通频带下 限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制 带通滤波器用来使某频段内的有用信号通过 而将高于或低于此频段的信号衰 减 带通滤波器可用低通和高通滤波器串联而成 如果使两者的频率覆盖同一频段 则频率在该频段内的信号能够通过滤波器 而频率在该频段外的信号将被衰减 这 样就构成了带通滤波器 典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成 如图 3 4 所示 该电路的传输函数为 31 2 2312 2 1 111 1 1121 RRCR sA RRRC s s CR A sA f f u 22 o o o uo s Q s s Q A 其中 是中心角频率 o 处的电压放大倍数 231 1 2 1 11 R A RR R A A f f uo 式中 4 5 1 R R Af 带通滤波器通带中心的角频率 31 2 2 111 RRCR o 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 16 页 1 1121 312 0 f A RRRCQ 1 112 111 312 312 f A RRR RRR Q 通带的带宽 BW 定义为中心角频率 o 处的电压放大倍数 Auo下降到 0 707Auo时 所对应的频率差 即 或 LH BW LH fff Q 为有源带通滤波器的品质因数 定义为 其大小表征着带通滤 f f BW Q oo 波器的选择性 Q 值越大 选择性越好 3 4 VCVS 二阶带阻滤波器设计 图 3 4 VCVS 二阶带通滤波器 这种电路的性能和带通滤波器相反 即在规定的频带内 信号不能通过 或受 到很大衰减或抑制 而在其余频率范围 信号则能顺利通过 在双 T 网络后加一 级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源 BEF 带阻滤波器可以用来抑制或衰减某一频段信号 并让该频段以外的所有信号都 通过 带阻滤波器可由低通和高通滤波器并联而成 两者对某一频段均不覆盖 形 成带阻频段 该电路的传输函数为 22 2 22 2 1 2 2 1 CRRC sA s RC sA sA f f u 22 22 o o of s Q s sA 式中 是通带的电压放大倍数 1 uo 1 R R AA f f 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 16 页 阻带的中心角频率 RC f 1 2 00 阻带的中心频率 RC f 2 1 0 品质因数 2 2 1 f A Q 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 16 页 第 4 章 各部分定性说明以及定量计算 4 1 VCVS 二阶低通滤波器误差分析 时 取 C 0 01 F 对应的参数 K 10 时 电容Hzf1000 h 4 v A C1 2C 0 02 F K 1 时的电阻 R1 0 824 R2 1 537 R3 3 148 R4 9 444 K K K K 将上述电阻值乘以参数 K 10 得 R1 8 24 K 取标称值 8 2 K R2 15 37 K 取标称值 15 K R3 31 48 K 取标称值 30 K R4 94 44 K 取标称值 91 K 033 4 1030 1091 11 3 3 3 4 R R Auo 825 0 100 4 4033 4 E Hz76 1014 2 1 2 1 2121 CCRR fc 476 1 100 1000 100076 1014 E 4 2 VCVS 二阶高通滤波器误差分析 时 取 C 0 2 F 对应的参数 K 2 5 时 电容Hzfl200 4 v A C1 C 0 2 F K 1 时的电阻 R1 2 592 R2 0 977 R3 1 303 R4 3 910 K K K K 将上述电阻值乘以参数 K 2 5 得 R1 6 48 取标称值 6 2 R2 2 4425 取标称值 2 4 K K K K R3 3 2575 取标称值 3 3 R4 9 775 取标称值 10 K K K K 03 4 103 3 1010 11 3 3 3 4 R R Auo 75 0 100 4 403 4 E Hz 3 206 2 1 2 1 2121 CCRR fc 15 3 100 200 200 3 206 E 4 3 VCVS 二阶带通滤波器误差分析 时 取 C 0 02 F 对应的参数 K 5 Q 6 得 K 1 时的Hzfl1000 4 v A 电阻 R1 4 775 R2 2 684 R3 1 176 R4 R5 5 368 K K K K 将上述电阻值乘以参数 K 10 得 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 16 页 R1 23 875 K 取标称值 24 9 K R2 13 42 K 取标称值 13 3 K R3 5 88 K 取标称值 5 9 K R4 R5 26 84 取标称值 27 4 K K 817 3 2 1 11 231 1 R A RR R A A f f uo 575 4 100 4 817 3 4 E 966 5 1 112 111 312 312 f A RRR RRR Q 567 0 100 6 966 5 6 E 4 4 VCVS 二阶带阻滤波器误差分析 Q 8 Av 1 的电路应是无限增益多路反馈二阶带阻滤波 陷波 器 取 Q 8 时 取 对应的参数 K 10 K 1 时的电阻 Hzf50 0 F 2 0C R1 1 6 R3 R4 1 59 R2 R3 2 0 795 K K K 将上述电阻值乘以参数 K 10 得 R1 16 K 取标称值 16 K Rf 15 K 取标称值 15 K R3 R4 15 91 K 取标称值 16 K 2 uo 1 1A R R A f f 49 736Hz RC f 2 1 0 528 0 100 50 736 4950 E 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 16 页 总 结 通过本次毕业设计 我对滤波电路理论知识有了更深一层次的理解 对以前的 书本知识学习有了一个很好的补充 同时 在设计中 我们查阅了很多相关的专业 知识 这也是体现我们能力的时候 在查阅资料时 也对相关的技术知识做了了解 设计也是课外实践的一种形式 我们能从中很好的结合专业知识应用到实践中 去 同时 也是对