带通滤波器.docx

摘要滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。关键字：滤波器；集成运放；RC网络；有源滤波器The function of the filter is to make certain frequency within the scope of the signal, and the frequency by outside the scope curbed the signal or sharp attenuation. When the disturbance signal and the useful signal not in the same frequency range, can use filter to suppress the interference effectively.With LC network consisting of passive filter in the low frequency within the area, volume weight expensive and attenuation shortcomings, but with integrated op-amp and RC network consisting of active filter is more applicable to low frequency, in addition, it also has some of the gain, and because between the input and output has good isolation and facilitate cascade. Since most reflect the photoelectric signal has a physical information low frequency and amplitude small, vulnerable to interference, and characteristics of the RC active filters widely applied electric light weak signal detection circuit.Filter；integrated op-amp；RC network；active filter引言滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。1 设计方案2.1 总方案设计 2.1.1方案框图RC网络反馈网络放大器 图2.1.1 RC有源滤波总框图2.1.2子框图的作用1 RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。2 放大器的作用 电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。3 反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。2.1.3方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的频（通内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输入电阻低，所以能提供一定的信号增益和缓冲作用，这种滤波器的频率范围约为10-3Hz106Hz,频率稳定度可做到（10-31010-5）/摄氏度，频率精度为+（35）%，并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。 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）、 全通滤波器（APF）。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。带通滤波器（BPF） （a）电路图(b)幅频特性 图1 压控电压源二阶带通滤波器工作原理：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。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1（a）所示。电路性能参数通带增益 中心频率 =14000通带宽度 10000Hz选择性 =1.4此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。关于滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好1. 级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。2. 运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈以保证所需滤波特性，运放的开环增应在80dB 以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中为滤波通带的传输系数。 如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100k，则应选低漂移高输入阻抗的运放。 因此通过对比，最终我选择了有源二阶带通滤波器。如下图所示1. 元器件的选择及参数计算一般设计滤波器时都要给定截止频率fc (c)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表1.1.3初选电容值。表1.1.3 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(110)Hz（10102）Hz（102103）Hz（110）KHz（10103）KHz （102103）KHzC(2010)F（100.1）uF（0.10.01）uF（104103）pF（103102）pF（10210）pF 通带中心频率 /14Khz 通带中心频率处的电压放大倍数： 带宽：/10kHz Q=1.4 1）选用图2电路。2）该电路的传输函数：品质因数：通带的中心角频率： 通带中心角频率处的电压放大倍数： 取，则：图2 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器电路NE5532NE5532功能特点简介:NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。NE5532特点：小信号带宽：10MHZ输出驱动能力：600，10V有效值 输入噪声电压：5nV/Hz(典型值) 直流 电压增益：50000 交流电压增益：2200-10KHZ功率带宽： 140KHZ转换速率： 9V/s大的电源电压范围：3V-20V 单位增益补偿NE5532引脚图： 图1NE5532 8脚引脚图图2NE5532 16脚封装引脚功能图NE5532内部原理图: 图3 5532内部电路图NE5532电气参数:ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS绝对最大额定值SYMBOL 符号 PARAMETER 参数RATING 数值UNIT 单位 VS Supply voltage 电源电压22 V VIN Input voltage 输入电压VSUPPLY V VDIFF Differential input voltage1 差分输入电压0.5 V Tamb Operating temperature range 工作温度范围NE5532/A 0 to 70 SA553240 to +85 SE5532/A 55 to +125 Tstg Storage temperature 存储温度65 to +150 Tj Junction temperature 结温150 PD Maximum power dissipation, Tamb = 25 (still-air) 最大功耗， Tamb = 25 （空气）D8 package 780 mW 8 N package 1200 mW16 D package 1200 mW Tsld Lead soldering temperature(10sec max)焊接温度(10秒最大值)230 DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS直流电气特性Tamb = 25 ; VS = 15 V, unless otherwise specifiedSYMBOL 符号 PARAMETER 参数 TEST CONDITIONS 测试条件 SE5532/A 数值NE5532/A, SA5532 数值UNIT单位最小 典型 最大最小典型 最大Vos VOS/T Offset voltage 偏移电压在整个工作温度范围-0.5 5 23 -0.5 5 45 mV mV V/ IOS IOS/T Offset current 失调电流在整个工作温度范围-200 100 200 -10 200 150 200 nA nA pA/ IB IB/T Input current 输入电流在整个工作温度范围-200 5 400 700 -200 5 800 1000 nA nA nA/ IccSupply current 电源电流Over temperature -8 10.5 13 -8 16 mA mA VCM Common-mode input range 共模输入范围-12 13 -12 13 -V CMRR Common-mode rejection ratio 共模抑制比-80 100 -70 100 -dB PSRR Power supply rejection ratio 电源抑制比-10 50 10 100 V/V AVOL Large-signal voltage gain大信号电压增益RL2k;VO =10V Over temperature RL600;VO=10V Over temperature 50 25 40 20 100 50 -25 15 15 10 100 50 -V/mV V/mV V/mV V/mV VOUTOutput swing Out ut swing 输出摆幅电压RL600Over temperature RL.600; VS=18V Over temperature RL2 k Over temperature 12 10 15 12 13 12 13 12 16 14 13.5 12.5 -12 10 15 12 13 10 13 12 16 14 13.5 12.5 -VRIN InputResistance输入电阻30 300 -30 300 -k IscOutput short circuit current 输出短路电流10 38 60 10 38 60 mA AC ELECTRICAL CHARACTERISTICS交流电气特性Tamb = 25; VS = 15 V, unless otherwise specified.SYMBOL符号 PARAMETER 参数TEST CONDITIONS测试条件NE/SE5532/A, SA5532 UNIT单位 最小值 典型 最大值ROUT Output resistance输出电阻 AV = 30dB Closed-loop f = 10kHz, RL = 600 -0.3 -W -Overshoot 上冲电压Voltage-follower VIN=100 mVP-P CL=100pF; RL=600 -10 -% AvGain 增益f = 10kHz -2.2 -V/mV GBW Gain bandwidth product 带宽增益CL = 100 pF; RL = 600-10 -MHz SR Slew rate 转换率-9 -V/s -Power bandwidth 功率带宽VOUT = 10V-140 -kHzVOUT = 14V; RL = 600, VCC=18V -100 -kHz二 电子线路设计与实现2.1二阶有源低通滤波器我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求带通中心频率：学号*1000=15*1000=15000Hz品质因素：学号/10(10号以后)=15/10=1.52）该电路的传输函数：品质因数：=15/10=1.5通带的中心角频率：=215000 通带中心角频率处的电压放大倍数： 取，则：=37k=74k=6.3k调试：通过改变R1的值可以改变增益的大小，即放大倍数的大小；改变R2的值可以改变中心频率，但中心频率改变的幅度是有限制的；改变R3可以调节Q值的大小。测试结果：测试项目中心频率Fo品质因数Q带宽Wo放大倍数Auo理论结果15000Hz1.510000-10测试结果15200Hz1.478800-10.8总结：通过实验的数据得出结论，当可变电阻的值变化时，数值的误差范围在测量允许范围内。误差原因分析：（1）电路板上元件的阻值与实际的电阻值有一点的误差，得到的结果与计算结果有不同。（2）电路板焊接时对元器件有了一点的影响。（3）读数时有偏差，连接示波器时的元件的具体频率值与电阻值都直接取了整数，与之前的数值存在偏差。（4）焊接点与导线也有一定的电阻。实验总结：实训了个星期的，我学会了很多东西，培养了动手能力也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相