毕业答辩 基于运算放大器的带通滤波器的设计与物理实现

1、论文框架论文框架研究背景研究背景课题方向课题方向论文要点论文要点结论结论1234研究背景研究背景 随着数字化进程的不断推进，数字滤波器越来越广泛随着数字化进程的不断推进，数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。但是模拟滤波器凭借自身的优势的应用在各个领域之中。但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。所有数字系统的前端，一般需要仍然有很高的研究价值。所有数字系统的前端，一般需要一个对微弱信号预处理的部分；在抽样量化之前，还需要一个对微弱信号预处理的部分；在抽样量化之前，还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。这些都只能使用模一个对信号最高频率进行限制的处理。这些都只能使用模拟滤波器。

2、拟滤波器。RC有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。其标准化电路的种类很少，仅使用范围最广泛的滤波器。其标准化电路的种类很少，仅使用及及R、C元件，因此非常便于集成，这给推广应用带来革元件，因此非常便于集成，这给推广应用带来革命性影响。命性影响。 在这个课题的研究中我们也同时认识到，小型化和集在这个课题的研究中我们也同时认识到，小型化和集成化推动了成化推动了RC有源滤波的发展，虽然集成电阻的精度和有源滤波的发展，虽然集成电阻的精度和稳定性都很差，但在小信号处理方面，稳定性都很差，但在小信号处理方面，RC有源滤波器依有源滤波器依然具有成本少，

3、电路体积小，性能稳定、易于调试、负载然具有成本少，电路体积小，性能稳定、易于调试、负载效应小等诸多优势，因此仍在市场占主要份额。效应小等诸多优势，因此仍在市场占主要份额。课题方向课题方向有源带通滤波器以其良好的幅频特性，在信号的分析有源带通滤波器以其良好的幅频特性，在信号的分析与测量中得到广泛应用。根据标准有源带通滤波器原理，与测量中得到广泛应用。根据标准有源带通滤波器原理，采用频域分析法，可得出有源带通滤波器的特征频率计算采用频域分析法，可得出有源带通滤波器的特征频率计算公式。本论题基于实际要求的基础上，设计了一个中心频公式。本论题基于实际要求的基础上，设计了一个中心频率率500Hz，增益为

4、，增益为1，通频带，通频带20Hz的带通滤波器。这里分的带通滤波器。这里分别介绍了运算放大器和低阶滤波器的工作原理以及高阶滤别介绍了运算放大器和低阶滤波器的工作原理以及高阶滤波器中比较常用的巴特沃兹响应及切比雪夫响应。并在波器中比较常用的巴特沃兹响应及切比雪夫响应。并在Filter Pro的开发环境下采用级联设计方法设计了一个符的开发环境下采用级联设计方法设计了一个符合要求的高阶有源带通滤波器。由于要求滤波通频带较窄，合要求的高阶有源带通滤波器。由于要求滤波通频带较窄，以及陡峭的截止频率，本设计采用性能理想的以及陡峭的截止频率，本设计采用性能理想的uA741，在，在Tina-Ti环境下进一步对

5、仿真电路元件参数进行趋近实际环境下进一步对仿真电路元件参数进行趋近实际的整定，并同时模拟输入了有效信号与干扰信号，得到了的整定，并同时模拟输入了有效信号与干扰信号，得到了符合要求的输出波形。最后在理想的幅值特性数字仿真的符合要求的输出波形。最后在理想的幅值特性数字仿真的基础上进行实际电路的搭建与调试。对高阶模拟有源带通基础上进行实际电路的搭建与调试。对高阶模拟有源带通滤波器的设计有一定的指导意义。滤波器的设计有一定的指导意义。1：运算放大器基础：运算放大器基础 运算放大器是一种具有极高增益的电压放大器。例如运算放大器是一种具有极高增益的电压放大器。例如常用的常用的741运算放大器典型的增益有运

6、算放大器典型的增益有A0=200000V/V。无载。无载下输出为下输出为e0=A0（e1-e2）。由于增益很大，差分电压就被）。由于增益很大，差分电压就被界定到非常小。譬如，要维持界定到非常小。譬如，要维持=6V，一个无载，一个无载741运算放运算放大器需要大器需要=6/200000=30A，是非常小的电压。，是非常小的电压。2：在复频域分析低阶有源滤波器：在复频域分析低阶有源滤波器 如图所示是一个最简单的二阶宽带带通滤波器，它给出如图所示是一个最简单的二阶宽带带通滤波器，它给出一个带通响应。令一个带通响应。令 和和 得到得到 ，或者，或者sC/1sCRZ11111sCR/RZ222212/)

7、(HZZs3：典型二阶有源带通滤波器：典型二阶有源带通滤波器KRC带通带通滤波器滤波器u 图示的电路是由一个图示的电路是由一个R-C级后再连接一个级后再连接一个C-R级构级构成一个带通单元，并经由提供的负反馈得到增益单元。成一个带通单元，并经由提供的负反馈得到增益单元。这个反馈是由用于提升在附近的响应的。这个反馈是由用于提升在附近的响应的。u 相关的设计方程是相关的设计方程是u 0/2RCQ/2-4K abRKR14：典型二阶有源带通滤波器：典型二阶有源带通滤波器多重多重反馈带通滤波器反馈带通滤波器u 在图在图2-3所示的电路中，相对于，运算放大器起微分器的所示的电路中，相对于，运算放大器起微

8、分器的作用。这个电路以它的发明者的名字而称为作用。这个电路以它的发明者的名字而称为Delyiannis-Friend滤波器。滤波器。u 相应的设计方程为相应的设计方程为QCR012/1CQR02/25：典型二阶有源带通滤波器：典型二阶有源带通滤波器状态状态变量变量(SV)滤波器滤波器u 到目前为止，所讨论的二阶滤波器是由单个运算放到目前为止，所讨论的二阶滤波器是由单个运算放大器和最少或接近最少的外部元件组成的。然而，简单大器和最少或接近最少的外部元件组成的。然而，简单性不意味着不付出代价。许多缺点，如元件的严重脱节性不意味着不付出代价。许多缺点，如元件的严重脱节；棘手的调节功能；对元件值变化，

9、特别是对放大器增；棘手的调节功能；对元件值变化，特别是对放大器增益的高灵敏度，都限制着这些滤波器只能用于益的高灵敏度，都限制着这些滤波器只能用于 的的场合。由于本论题所要求的品质因数场合。由于本论题所要求的品质因数 ，那么在低阶滤波器范畴中，我们还找的到合适的解决，那么在低阶滤波器范畴中，我们还找的到合适的解决方案吗？以状态变量和双二阶滤波器一类为代表的多运方案吗？以状态变量和双二阶滤波器一类为代表的多运算放大器滤波器给出了问题的答案。算放大器滤波器给出了问题的答案。10Q2520/500/0BWQ5：典型二阶有源带通滤波器：典型二阶有源带通滤波器状态状态变量变量(SV)滤波器滤波器u SV滤

10、波器是由滤波器是由W.J.Kerwin、L.P.Huelsman和和R.W.Newcomb在在1967年最先发表年最先发表出出来，因而也被称为来，因而也被称为KHN滤波器。它使用两个积分器和一个加法器来产生二滤波器。它使用两个积分器和一个加法器来产生二阶低通、带通和全通响应。第四个运算放大器用来组合阶低通、带通和全通响应。第四个运算放大器用来组合已有的响应藉以生成带阻或全通响应。这个电路是因实已有的响应藉以生成带阻或全通响应。这个电路是因实现了一个二阶微分方程而这样命名。现了一个二阶微分方程而这样命名。6：典型二阶有源带通滤波器：典型二阶有源带通滤波器双二双二阶滤波器阶滤波器u 图示电路以它的

11、发明者而被称为图示电路以它的发明者而被称为Tow-Thoms滤波器。它滤波器。它是由两个积分器构成的其中一个积分器是有耗型的。第是由两个积分器构成的其中一个积分器是有耗型的。第三个运算放大器是一个单位增益反相放大器，它的目的三个运算放大器是一个单位增益反相放大器，它的目的仅仅是进行极性反转。如果两个积分器中的一个可以为仅仅是进行极性反转。如果两个积分器中的一个可以为同相型，那么反相放大器就可以省略。同相型，那么反相放大器就可以省略。7：高阶有源滤波器设计：高阶有源滤波器设计滤波器近滤波器近似似u 基于以上对二阶滤波器的分析，状态变量与双二阶滤波基于以上对二阶滤波器的分析，状态变量与双二阶滤波器

12、已经展现了品质因数高，容差率高的诸多优越的特性器已经展现了品质因数高，容差率高的诸多优越的特性，但如果需要抑制的信号和需要通过的信号在频率上非，但如果需要抑制的信号和需要通过的信号在频率上非常接近，那么在这种情况下二阶滤波器的截止特性可能常接近，那么在这种情况下二阶滤波器的截止特性可能就不够陡峭，此时就需要采用某种高阶滤波器。就不够陡峭，此时就需要采用某种高阶滤波器。 巴特沃兹响应 切比雪夫响应8： 基于基于Filter Pro的级联设计与的级联设计与Tina-Ti的仿的仿真波形和分析结果真波形和分析结果u 级联设计方法级联设计方法方法是基于可以将传递函数方法是基于可以将传递函数H（s）因式分

13、）因式分解后化成低阶项乘积的形式来实现的。如果阶次解后化成低阶项乘积的形式来实现的。如果阶次n是偶是偶数，那么分解后的式子由数，那么分解后的式子由n/2个二阶项组成：个二阶项组成：u 级联方式具有很多优点。每一节的设计相对较简单，元级联方式具有很多优点。每一节的设计相对较简单，元件值也一般较低。每节低输出阻抗消除了级间负载效应件值也一般较低。每节低输出阻抗消除了级间负载效应，因此如果需要的话，可以将每节看成是独立于其他部，因此如果需要的话，可以将每节看成是独立于其他部分的，从而可以单独进行协调。由于可以使用一些标准分的，从而可以单独进行协调。由于可以使用一些标准模块来设计出各种各样和更加复杂的

14、滤波器，因此从经模块来设计出各种各样和更加复杂的滤波器，因此从经济的角度来看，这种设计方式本身的模块化是很吸引人济的角度来看，这种设计方式本身的模块化是很吸引人的。的。)()()(H)(HH(s)2321sHsHssn8： 基于基于Filter Pro的级联设计与的级联设计与Tina-Ti的仿真波形和分析结果的仿真波形和分析结果ufilter pro模拟电路与频域波形模拟电路与频域波形8： 基于基于Filter Pro的级联设计与的级联设计与Tina-Ti的仿真波形和分析结果的仿真波形和分析结果8： 基于基于Filter Pro的级联设计与的级联设计与Tina-Ti的仿真波形和分析结果的仿真波

15、形和分析结果9： 系统整体调试系统整体调试u系统实物电路系统实物电路9： 系统整体调试系统整体调试480、500、520Hz音频信号输入下输出波形音频信号输入下输出波形结论结论本文旨在对基于运算放大器的高阶模拟滤波器的设计做简本文旨在对基于运算放大器的高阶模拟滤波器的设计做简要介绍。在数字化、信息化应用日益广泛的背景下，我们要介绍。在数字化、信息化应用日益广泛的背景下，我们也不能单方面着眼于仅靠程序语言编写数字电路的方法。也不能单方面着眼于仅靠程序语言编写数字电路的方法。模拟电路的计算与设计、各元器件的参数与特性依然是我模拟电路的计算与设计、各元器件的参数与特性依然是我们不可忽视的重要基础，了

16、解它们同样是我们设计一个优们不可忽视的重要基础，了解它们同样是我们设计一个优秀数字电路的前提。因此，本文在阐述设计方案的同时，秀数字电路的前提。因此，本文在阐述设计方案的同时，重点介绍了运算放大器的内部电路、工作原理以及基本组重点介绍了运算放大器的内部电路、工作原理以及基本组成电路的分析方法。在设计方法上，本文介绍了一种基于成电路的分析方法。在设计方法上，本文介绍了一种基于Filter Pro的简明的级联设计方法，并简要介绍了的简明的级联设计方法，并简要介绍了Tina-Ti环境下的仿真方法环境下的仿真方法。同时必须指出，由于数字滤波器在实际电路中的使用还需同时必须指出，由于数字滤波器在实际电路中的使用还需加入模数转换装置，而在小系统中模拟滤波器依然有其成加