二阶高通滤波器的设计 (详细版).doc

课程设计说明书课程设计名称： 模拟电路课程设计 课程设计题目： 二阶高通滤波器的设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业； 电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 12 年 3 月 8 日 模拟电路 课程设计任务书20 11 20 12 学年 第 2 学期第 1 周 2 周 题目二阶高通滤波器的设计内容及要求 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路； 截止频率fc=100Hz; 增益Av=5;进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，Multisim仿真，领仪器设备: 2天； 2. 领元器件、焊接、制作：3天；3调试：2天；4. 验收：0.5天；5. 提交报告：2012年3月8日.学生姓名： 同组人：指导时间:第12周指导地点：E 楼 311 室任务下达2012 年 2 月21 日任务完成2012 年3 月 2 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任摘要二阶高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。高通滤波器有综合滤波功能，它可以滤掉若干次高次谐波，并可减少滤波回路数。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。其在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。本设计为分别使用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计二阶高通滤波器。二者电路都是基于芯片LM324设计而成。将信号源接入电路板后，调整函数信号发生器的频率，通过观察示波器可以看到信号放大了5倍。根据滤波频率的中心频率和其它要求的不同，滤波器中采用各种谐振元件，电感、电容是最常用的谐振元件。现在工厂对于谐波的治理,应用最多的仍然是高压无源滤波器,高压无源滤波器有多种接线方式,其中单调谐滤波器及二阶高通滤波器使用最为广泛,无源滤波器具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点,关键字：二阶、高通滤波器、有源、放大、谐振目录前言4第一章 设计内容51.1设计任务和要求51.2设计目的5第二章 滤波器的基本理论62.1滤波器的有关参数62.2有源滤波和无源滤波72.3巴特沃斯响应8第三章 滤波系统中高通滤波器模块设计93.1压控电压源二阶高通滤波电路93.2无限增益多路反馈高通滤波电路10第四章 二阶高通滤波器电路仿真11第五章 系统调试14第六章 结论155.1实验结论与心得15 5.2对本设计优缺点的分析15附录一 LM324引脚图17附录二 元件清单18附录三 参考文献18附录四 电路仿真图19第一章 设计内容1.1设计任务和要求1分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；2截止频率fc=100Hz；3 增益AV5；1.2设计目的1. 了解滤波器的工作特点 2掌握电子系统的一般设计方法 3掌握常用元器件的识别和测试 4培养综合应用所学知识来指导实践的能力 5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 6进一步提高自己的动手实践能力 7掌握专业课程设计报告的格式及流程 第二章 滤波器的基本理论2.1滤波器的有关参数实际滤波器的基本参数：理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。纹波幅度d：在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。 截止频率fc：幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。带宽B和品质因数Q值:上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数， Q=1/2（阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率f0（ ）和带宽 B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。倍频程选择性W:在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与 2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量或倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即dB10oct。滤波器因数（或矩形系数）:滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式 ，它是利用滤波器幅频特性的 -60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，理想滤波器 =1，常用滤波器 =15。显然， 越接近于1，滤波器选择性越好。滤波器的截止频率用来说明电路频率特性指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。在高频端和低频端各有一个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。db的计算公式是20*log10(x),x为信号某一个频率上真正的幅值。用滤波器去测试其截止频率，保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍。所测值为其截止频率。滤波器的带宽为两个截止频率之间的频率范围又称为通频带。2.2有源滤波和无源滤波无源滤波器通常是用电阻，电容，电感这些无源器件构成的，无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。而有源滤波器常包含运放等要接外部电源才能工作的器件。通常有源滤波的效果较好。无源滤波器：集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源。一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80，对基波的无功补偿也是一定的。目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。有源滤波器与无源滤波器相比，有以下特点： a不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理； b滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；c具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。2.3巴特沃斯响应 什么是巴特沃斯响应？有什么特点？ （1） 巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提出的。（2）巴特沃斯滤波器的特点：通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、 三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。巴特沃斯滤波器的特点是在通带以内幅频曲线的幅度最平坦，由通带到阻带衰减陡度较缓，截止频率以后的衰减速率为6MDB/倍频程，相频特性是非线性的。对阶跃信号有过冲和振铃现象。巴特沃斯滤波器是一种通用型滤波器，又称为最平幅度滤波器。n阶巴特沃斯低通滤波器的振幅和频率关系可用如下的公式表示：从幅频特性提出要求，而不考虑相频特性。巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性。第三章 滤波系统中高通滤波器模块设计3.1压控电压源二阶高通滤波电路1、方案一、用压控电压源设计二阶高通滤波电路与LPF有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路采用压控电压源二阶高通滤波电路。电路如图3-1所示，参数计算为: 通带增益： Aup表示二阶高通滤波器的通带电压放大倍数 截止频率：品质因数： 图3-1压控电压源二阶高通滤波电路=100Hz令R3=1KW解得:R4=4 KW R1=R2=16 KWC=0.1 uf3.2无限增益多路反馈高通滤波电路2、方案二 用无限增益多路反馈设计高通滤波电路。电路如图2-2所示, 其中： ,通带增益： 截止频率： 品质因数： 图2-2、无限增益多路反馈高通滤波电路 =100Hz令R1=1KW解得:C1=0.1uf C2=0.1uf C3=0.05ufR2=2 KW R3=16KW第四章 二阶高通滤波器电路仿真二阶高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似，当Q0.707或Q=20kHz)，Uo=（202.4+201.6+201.1）/3=201.7 mv输入电压Ui=100.1mv，则Av=Uo/Ui=201.7/100.1=2.01相对误差：s=（2.01-2）/2*100%=0.5%当fp=100Hz时，Uo理论=U*0.707=201.7*0.707=142.6mv实验测得Uo=140.6mv则相对误差为S=（140.6-142.6）/142.6*100%=-1.4% 3.误差分析产生该实验误差的主要原因有:1、 电阻和电容的标称值与实际值不相符；2、在参数设计时也会引入误差；3、输入信号不稳定会导致实验误差；4、在计算过程中会引入计算误差；5、由桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路提供所需的正负直流电不是很准确，没有标准的正负12伏特，导致实验出现误差。 第五章 结论5.1 一、实验结论1、由实验可知，高通滤波器削弱低频信号，只放大频率高于 fp的信号，我们可把高通滤波器用于交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分。2、由实验可知，当频率f为通带截止频率fp时，输出电压 Uo约为最大输出电压的0、707倍，即Au0.707AuP。3、实验中，监测的波形没有失真，说明只要正反馈引入得到，就能在f=fo时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。 二、心得：1、通过这次课程设计，加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，通过这个方案包括设计了一套电路原理和其它类型的各种电路原理。通过对它们的比较和认识，找到了简单、正确的方法。2、通过对电路条件的限制，要求能更深层次地理解各元器件的原理和使用规则，对具体情况做出正确判断，提高了我对书本知识的掌握，也把我从理论水平提高到实践水平。3、本课程题目要求是设计二阶滤波器，由于专业课程没要求掌握，也不作考试内容，所以现有的知识水平有限，通过结合课设要求和内容，查询相关资料从而拓展了专业知识，通过最佳方案实现了课设要求。通过这次课程设计使我懂得理论联系实践的重要性，只有理论知识是远远不够的，要把所学的理论结合到实践中才能实现其专业知识的价值，从而提高自己的动手能力和独立思考能力。5.2对本设计优缺点的分析本次课程设计我们主要根据要求中的提示，首先确定了各个部位元件的类型，在充分分析和掌握了滤波电路的工作原理进行了认真仔细的计算和公式的推倒，最终掌握了具有一般性的相关公式，当然，在公式的验算中为了简化公式，我们也采取了一些小技巧，在确定满足课题要求的情况下，我们令电容相等，从而大大简化了计算过程，但是在设计的诸多方面（电路的稳定性，参数选择的优越性，电路的调试等）存在不足之处。附录一 LM324引脚图（管脚图）附图1、LM324引脚图 LM324引脚图（俯视图）（见附录LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的