二阶滤波器的设计.doc

专业课程设计报告题目：二阶滤波器的设计系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 提交日期 9目 录一、设计目的3二、设计要求和设计指标3三、设计内容33.1 各部分设计程序及原理图33.1 电路设计原理33.2 滤波器的参数53.3组合电路原理图63.4电路仿真6四、总结8五、主要参考文献9二阶滤波器的设计一、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二、设计要求和设计指标 1用无限增益多路反馈二种方法设计电路；2截止频率fc=100Hz3 增益AV5；三、设计内容3.1.1.电路设计原理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。本设计为用无限增益多路反馈方法设计二阶高通滤波器。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。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,3.1.2.巴特沃斯响应（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。巴特沃斯滤波器的特性巴特沃斯滤波器的特点是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。3.1.3.切比雪夫滤波器。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。是决定通带波纹大小的系数，波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件。与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况。值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓慢。切贝雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器进行比较，切贝雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型要优于切贝雪夫型，通过上面二图比较可以看出，前者的相频响应更接近于直线。3.2滤波器的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。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。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。3.3 组合电路原理图无限增益多路反馈设计高通滤波电路如图所示：如图所示其中： ,通带增益： 截止频率： 品质因数：=5 =100Hz令R1=1KKW解得C1=0.05uf c2=0.01uf R2=1.2 KW3.4 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Q0.707时，通带边沿处会出现不平坦现象。有关根据品质因数Q计算电路电阻参数R1 和R2的方法与二阶低通滤波器的计算相同。为了改进一阶高通滤波器的频率特性，可采用二阶高通滤波器。一个二阶高通滤波器包含两个RC支路，即将二阶高通滤波器的R与对换位置，即可构成二阶高通滤波器。如图所示为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，其阻带衰减特性的斜率为40dB10oct，克服了一阶高通滤波器阻带衰减太慢的缺点。 如图 二阶高通滤波器的幅频特性曲线与二阶低通滤波器类似，二阶高通滤波器的各个参数也影响其滤波特性，如：阻尼系数f的大小决定了幅频特性有无峰值，或谐振峰的高低。若要求高通滤波器的阻带特性下降速率大于40dB10oct，必须采用高阶高通滤波器，同高阶低通滤波器一样，也是最常采用巴特沃思型和切比雪夫型近似，同样也是先查表，得到分母多项式，图示为二阶高通滤波器幅频特性 二阶高通滤波器的参数设计，由增益Av=5，Av=1+Rf/R1,所以选R3=1.6K欧姆的电阻，fc=100Hz,fc=1/2RC，则选用C=0.01uf的电容，R4为1.6K欧姆的电阻，R2为4K欧姆的电阻，由于没有该种类的电阻，则用两个2K欧姆的电阻替代，集成块用KIA741。二阶高通滤波器电路的电路仿真。（1）（2）四、总结对于所学的模电课程，我们学习到了大量的电路分析，各种电路的应用功能，但在实际运用中却显得有点欠缺，而这次课程设计，我们学会了比较电路在实际物体模块制作过程中的使用方法，同时在资料的查阅过程中，也学会了其它电路的详细功能及使用，对于自己的实际动手能力是一个很大的提高。学到了很多，也让我发现了自己的很多不足，特别是在实际电路的元件布局和电路参数的设定中，发现自己在很多方面都不太了解，在以后的学习中有待提高。通过本次课程设计，我在各个方面都取得了进步，对于所学的知识有了更深入直观地了解，在仿真软件Multisim的应用方面也更加而熟悉。本次的课程设计，对我们的实际动手能力是一个大的提高，也培养了我们查阅资料的能力，对以