有源低通滤波器的实现100KHZ.doc

桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 电子线路设计 论文 说明书 题 目 有源低通滤波器的设计有源低通滤波器的设计 院 系 信息与通信学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 黄翔 学 号 1100220514 指导教师 王娇 职 称 讲师 2013 年 11 月 16 日 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 摘 要 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件 理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移 而在 阻带内其幅值应为零 有源滤波器是指由放大电路及 RC 网络构成的 滤波器电路 它实际上是一种具有特定频率响应的放大器 滤波器 的阶数越高 幅频特性衰减的速率越快 但 RC 网络节数越多 元件 参数计算越繁琐 电路的调试越困难 关键词 低通 放大器 阶数 Abstract Low pass filter allows low frequency signal to pass through and suppresses the high frequency components of signals Ideal filter circuit should have certain amplitude frequency response in the passband and linear phase shift and its amplitude should be zero in the stopband Active filter is one that is composed of RC network and amplifying circuit It is actually a kind of specific frequency response amplifier The higher the order number of the filter the faster the amplitude frequency attenuation rate But the RC network node number is associated with the components parameter calculation and the debugging of the circuit Key words low pass Amplifier Order number 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 目 录 引言 1 1 原理及设计方案 1 1 1 滤波器的介绍 1 1 2 有源滤波器的设计 2 1 3 方案选择 4 2 硬件介绍 6 3 仿真及结果 7 4 测量结果 8 5 实验心得与体会 9 谢辞 11 参考文献 12 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 0 引言引言 课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节 是对学生进行 的一次综合性专业设计训练 本次课程设计主要注重的是电子电路 的设计 仿真 安装 调试 印制电路板等综合于一体的一门课程 意在培养学生正确的设计思想方法以及思路 理论联系实际的工作 作风 严肃认真 实事求是的科学态度 培养学生综合运用所学知识 与生产实践经验 分析和解决工程技术问题的能力 作为一名大学 生不仅需要扎实的理论知识 还需要过硬的动手能力 所以认真做 好课程设计 对提高我们的动手能力有很大的帮助做到 1 1 原理及设计方案原理及设计方案 1 1 滤波器的介绍 滤波器是一种能使有用信号通过 滤除信号中的无用频率 即抑制无用信号的电子装置 有源滤波器实际上是一种具有特 定频率响应的放大器 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减 或抑制高频信号的部件 理想滤波器电路的频响在通带内应具 有一定幅值和线性相移 而在阻带内其幅值应为零 但实际滤 波器不能达到理想要求 为了寻找最佳的近似理想特性 本文 主要着眼于幅频响应 而不考虑相频响应 一般来说 滤波器 的幅频特性越好 其相频特性越差 反之亦然 滤波器的阶数 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 1 越高 幅频特性衰减的速率越快 但 RC 网络节数越多 元件 参数计算越繁琐 电路的调试越困难 任何高阶滤波器都可由 一阶和二阶滤波器级联而成 对于 n 为偶数的高阶滤波器 可 以由 n 2 节二阶滤波器级联而成 而 n 为奇数的高阶滤波器可 以由 n 1 2 节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成 因此 一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础 1 2 有源滤波器的设计 有源滤波器的设计 就是根据所给定的指标要求 确定滤波器 的阶数 n 选择具体的电路形式 算出电路中各元件的具体数值 安装电路和调试 使设计的滤波器满足指标要求 具体步骤如下 1 根据阻带衰减速率要求 确定滤波器的阶数 n 2 选择具体的电路形式 3 根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式 建立起系数的方程组 4 解方程组求出电路中元件的具体数值 5 安装电路并进行调试 使电路的性能满足指标要求 根据设计要求 我选择巴特沃斯滤波器 巴特沃斯滤波器的幅 频响应在通带中具有最平幅度特性 但是通带到阻带衰减较慢 选 择二阶有源低通滤波器电路 即n 2 有源2阶低通滤波器电路如图1 1所示 压控电压源二阶滤波器 电路的特点是 运算放大器为同相接法 滤波器的输入阻抗很高 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 2 输出的阻抗很低 滤波器相当于一个电压源 其优点是电路性能稳 定 增益容易调整 图1 1 有源低通滤波器电路图 在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈 在 不同的频段 反馈的极性不相同 当信号频率f fc时 fc 为截 止频率 电路的每级RC 电路的相移趋于 90 两级RC 电路的移 相到 180 电路的输出电压与输入电压的相位相反 故此时通过电 容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈 反馈信号将起着削弱输入 信号的作用 使电压放大倍数减小 所以该反馈将使二阶有源低通 滤波器的幅频特性高频端迅速衰减 只允许低频端信号通过 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为 n 1 2 3 n c uo u A jA 2 1 n c uo u A jA 2 1 1 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 3 f f Q j f f A A VP V 0 2 01 1 Butterworth的二阶归一化传递函数为 H s 1 s s 1 414 s 1 它的化归一化传递函数可以表示成两个多项式的比 A s 2 1 22 2 c c cuo u s Q s A sA 其中Auo为通带内的电压放大倍数 C为截止角频率 Q为品质因 子 从 2 1 式中可知 当 0时 2 1 式有最大值1 C时 2 1 式等于0 707 即Au衰减了3dB 2 cc f CCRR 2 1 2121 2 Av 1 R4 R3 2 3 1 3 方案选择 下表 1 1 列出了每一种类型的二阶滤波器的系数 并给出 了调节 Q 值时所用的电阻比率 表1 1 二阶滤波器的系数 本设计采用的多路反馈结构的巴特沃斯低通滤波器 设计阶数 为四阶 截止频率为100KHZ 原理就是两个二阶滤波器的级联 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 4 下图1 2是 MFB 低通滤波器的基本原理图 图1 2 MFB 低通滤波器原理图 电路的传递函数是 2 3221 1 32 32 1 2 1SRRCCS R RR RR R R SA CC 其中 各参数由以下计算得 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 5 221 1 3 0 2 1 21 2 021121 2 3 121 32211 3 32 3211 1 2 0 4 4 14 22 RCCf b R A R R CCf ACCbCaCa R RRCC RRCCb R RR RRca R R A c c 21 c c 之后 就可以求解和在给定的 最后结合滤波器设计软件 FilterPro 得出100KHZ 的电容电阻值 进而得到所设计的滤波器 2 硬件简介 设计中所用的 OPA690是 TI 公司的一款高速电压反馈运放 具有 超高带宽 单位增益稳定500MHZ 供电电压 5V 常应用在视频线 驱动器 xDSL 线路驱动器 接收器 高速成像通道 ADC 缓冲器 便 携式仪器 阻放大器 有源滤波器 OPA690引脚图如图2 1 典型滤波电路如图2 2 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 6 图 2 1 OPA690 管脚图 图 2 2 OPA690 典型滤波器电路 3 仿真及结果 仿真电路图如图 3 1 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 7 图 3 1 仿真电路 仿真结果如图 3 2 由图 3 2 可知截止频率在 100KHZ 满足设计 要求 图 3 2 仿真结果 4 测量结果 实测结果如表 4 1 表 4 1 实测结果 KHZ1102030507090100150180 VPP1 0041 0000 9980 9960 9940 9860 8760 7080 5480 101 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 8 图 4 1 信号为 1VPP 50KHZ 的正弦信号通过滤波器在示波器上观 察 图 4 2 信号为 1VPP 100KHZ 的正弦信号通过滤波器在示波器上观 察 图 4 3 信号为 1VPP 180KHZ 的正弦信号通过滤波器在示波器上观 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 9 察 5 实验心得与体会 通过这次课设 我学会很了很多东西 首先 以前从模电书上 学到的知识应用在了实际上 特别是滤波器的设计 本次设计的是 低通多反馈结构巴特沃斯滤波器 因为是四阶 100KHZ 所以器件的 选择很重要 之前考虑常用的运放如 OP07 LM324 等这些普通运放 经看数据手册得知要做到 100KHZ 是根本不能实现的 所以考虑了 TI 公司的高速运放 由于买到的芯片是贴片的 所以板子布线是用 顶层 第一次由于焊接的原因 导致电路出现状况 电流过大 输 出端检测不到信号 之后就烧毁了芯片 第二次做的时候我先焊上 芯片然后试着供电看正不正常 之后才焊上其他的元件 TI 的高速 运放果然好用 完美的波形 100KHZ 的截止频率 前面几乎无衰减 在设计过程中 我查看了许多资料和书籍 其中最有用的是 运算 放大器权威指南 和滤波器设计软件 FilterPro 给了我很大的帮 助 这给我的想法是 理论知识很重要 理论知识决定了设计的方 法 设计电路的成败 所以需要查找很多资料 需要足够的耐心 细心去研究问题 解决问题 同时还必须有实事求是地分析问题的 态度 知道理论与实际是有一些差别的 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 10 谢谢 辞辞 本次课设能顺利的完成 要多谢一些同学的热心帮助 他们跟 我分享了很多自己的经验 看法 对有问题的地方都能及时的指出 来 同时更要