无源滤波器设计

1、精品文档长沙学院模电课程设计说明书题目系（部）电子与通信工程系专业（班级）姓名学号指导教师起止日期数字电子技术课程设计任务书(11)系(部)：电子与通信工程系专业：电子信息工程课题名称无源滤波器设计设 计 内 容 及 要 求1 .技术参数1) 了解4种无源滤波器的功能, 2)根据测试数据，简要说明电辞 3) 采用Multisim 软件完成41 a).低通滤波器b).高通滤波器 2.设计要求(1)求出所设计滤波器各参数: 低通滤波器、高通滤波器: 带通滤波器、带阻滤波器:(2)计算并选择电路元件及参考 (3)仿真调试电路；(4)撰写设计报告及使用说明二熟悉无源滤波器的构造。多的工作原理及本电路能

2、达到的实用功能； 中滤波器电路设计，要求仿真通过：c).带通滤波器d).带阻滤波器截止频率。中心频率、带宽、品质因素。次；行0设 计 工 作 量1、系统整体设计；2、系统设计及仿真；3、在Multisim或同类型电路设计软件中进行仿真并进行演示；4、提交一份完整的课程设计说明书，包括设计原理、仿真分析、调试过程， 参考文献、设计总结等。进度安排起止日期(或时间量)设计内容(或预期目标)备注第f课题介绍，答疑，收集材料第二天设计力泵论证第三天进行具体设计第四天进行具体设计第五天编写设计说明书教研室 意见年 月日系(部)主 管领导意见年 月日长沙学院课程设计鉴定表姓名李治兵学号2011026115

3、专业电子信息工程班级1班设计题目无源滤波器设计指导教师龙英指导教师意见:评定等级：教师签名：日期：答辩小组意见:评定等级： _答辩小组长签名：_日期:教研室意见：教研室主任签名：一日期：系（部）意见：系主任签名：日期：说明 课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；.无源滤波器的简介 51 .无源滤波器定义 52 .无源滤波器的优点 153 .滤波器白分类54 .无源滤波器的发展历程 5.无源滤波器的工作原理与电路与电路分析 61 .工作原理62 .电路分析73 .设计思路及电路仿真 111 .无源低通滤波器 112 .无源高通滤波器 113 .无源带通滤波器 124 .无源

4、带阻滤波器 134 .设计心得与体会 1515五.参考文献11欢在下载.无源滤波器的简介1 .无源滤波器定义无源滤波器，又称 LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次 或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波(3、5、7)构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。2 .无源滤波器的优点无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用 广泛的被动谐波治理方法。3 .滤波器的分类按所处理的信号按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。按所通过信号的频段按所通过信号

5、的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。按照阶数来分通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。4 .无源滤波器的发展历程(1) 1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。(2) 20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。(3)自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发

6、展上了一个新台阶， 并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高 精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展；(4)到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。(5) 80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。(6) 90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。二.无源滤波器的工作原理与电路与电路分析1.工作原理滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出

7、某些特定的信号作为输出。电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。电滤波器是Campbell和wagner在第一次世界大战期间各自独立发明的，当时直接应用于长途载波电话等通信系统。电滤波器主要由无源元件R L、C构成，称为无源滤波器。滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H(S)来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下H(S)Uo(S)Ui(S)式中U(S)、U(S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。在正弦稳态情况下，S=j CO,电压转移函数可写成H(j ) U H(j )ej ( )Ui(j )式中表示输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；(

8、3)表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。滤波器按幅频特性的不同，可分为低通、高通、带通和带阻低通滤波电路，其幅频响应如图它的功能是通过从零到某一截止频率3高通滤波电路，其幅频响应如图 的频率为通带。带通滤波电路，其幅频响应如图和全通滤波电路等几种，图附录11给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。1(a)所示，图中|H(j coC)|为增益的幅值，K为增益常数。由图可知，C的低频信号，而对大于3 C的所有频率则衰减，因此其带宽B=3 CO1(

9、b)所不由图可以看到，在0<3<3 C范围内的频率为阻带，(Wj于1(c)所示。图中3 Cl为下截止频率，WCh为上截止频率，3 0为中心频率。由图可知，它有两个阻带：0<3<3Cl和3 >3 Ch, 因此带宽B=co Ch- 3 Cl。带阻滤波电路，其幅频响应如图1(d)所示。由图可知，它有两个通带：0< 3 <3 Cl及3 >3 Ch和一个阻带3 Cl<CO<COCh。因此它的功能是最减3Cl到3 Ch间的信号。通带3 >3 Ch也是有限的。(a)低通滤波电路(b)高通滤波电路(c)带通滤波电路带阻滤波电路(d)图1各种滤波

10、电路的幅频响应二阶基本节低通、高通、带通和带阻滤波器的电压转移函数分别为:低通高通带通带阻式中K、cop、3 z和Q p分别称为增益常数、极点频率、零点频率和极偶品质因数。正弦稳态时的电压转移 函数可分别写成：低通高通带通带阻2.电路分析(1)无源低通滤波器如图2所示。图2无源低通滤波器电路正弦稳态时，电压转移函数可写成:H(j ),1j QQP P2221 R2C2 2 j3RC(3)幅值函数为:H(j )K2(1 T2 (L2PQP P1.'(1 R2C2 2)2 (3RC )2(4)10 3742.截止角频率 c 1，截止频率fH2.6724 RC(2)无源高通滤波器如图 3所示

11、。正弦稳态时，电压转移函数可写成:H(j )_2_j QP11：32 _ 22-j-R2C22RC(5)幅值函数为:H(j )R2C2 2)2(rC )2(6)K21 p 21P 2(1 JJP)2；Qp截止角频率3 C=1= 2.6724 ,截止频率fC= 0.3742 RC r2 %(3)无源带通滤波器如图 4所示。图4无源带通滤波器电路正弦稳态时，电压转移函数可写成:H(j ) -1jQp(PP)RC幅值函数为:H(j )1Qp2(P)2p31 1(RC rC )2(8)0 P时，。称为带通滤波器的中心频率，即(9)10 P RC截止频率c是幅值函数自H (j P)下降3db(即H(j

12、c)H(j p),2)时所对应的频率。由I H(j co ) |的表达式可得(10)2Qp2-1对上式求解得Ch1 4Qp2 12Qp1 4Qp2 12Qp(11)Cl4Qp2 12Qp4Qp2 12Qp(12)Ch，Cl分别称为上截止频率和下截止频率。通频带宽度B为B ChClPQp0Qp(13)(14)品质因数Q为B B可见二阶带通滤波器的品质因数Q等于极偶品质因数 Q。 Q是衡量带通滤波器的频率选择能力的一个重要指标。(4)无源带阻滤波器如图 5所示。精品文档13欠0迎下载正弦稳态时，电压转移函数可写成:H(S)一S2_22K(S2z )Q7S幅值函数为:H(j )K( z22)(p2P

13、时,图5无源带阻滤波器电路(15)(16)0称为带阻滤波器的中心频率，即RC(17)截止频率c是幅值函数自H(j P)下降3db(即H(j c)H(j p)2)时所对应的频率。由IH(j co) |的表达式可得Qp2(pp)2(18)对上式求解得14Qp2Ch2QpCl1 4Qp2 12Qpp2QpCl分别称为上截止频率和下截止频率。阻频带宽度B为B ChClpQp0Qp品质因数Q为(19)(20)(21)Qp(22)精品文档三.设计思路及电路仿真1 .无源低通滤波器(1)先选定无源低通滤波器的截止频率fC=2kHz。(2)再取两个电阻 R1=R2=R=1检。(3)根据无源低通滤波器截止频率计

14、算公式fC =2=1得C= 29.8nf,则取C1=C2=30nf。2/ 2,6724 2/ RC(4)根据以上参数，按图 6电路进行仿真。图6无源低通滤波器电路图图7无源低通滤波器仿真图从图中可以看出截止频率fC=1.994kHz,则此滤波器能够滤掉超过1.994kHz的波。2 .无源高通滤波器(1)先选定无源高通滤波器的截止频率fC =20kHzo(2)再选取两个电阻 R1=R2=R=14。(3)根据无源高通滤波器截止频率计算公式fC= = 2,6724得O-21.3nf,则取C1=C2=22nfo2冗2冗RC(4)根据以上参数，按图 8电路进行仿真。XBP2图8无源高通滤波器电路图图9无

15、源高通滤波器仿真图从图中可以看出截止频率fC=19.891kHz,则此滤波器能滤掉低于19.891kHz的波。3 .无源带通滤波器(1)先选定无源带通滤波器的中心频率fC =1.5kHz。(2)再选取两个电阻 R1=10OQ ,R2=1KQ ,C1=1uf o.1 一 一-一 一(3)根据无源高通滤波器中心频率计算公式fC=一 ,得 C2= 0.11uf,取 C2=0.1nf。2/2%.R1R2C1C2(4)根据以上参数，按图10电路进行仿真。图10无源带通滤波器电路图图11无源带通滤波器仿真图1图12 无源带通滤波器仿真图 2图13无源带通滤波器仿真图3从图中可以看出中心频率fC=1.517

16、kHz,通带宽度BW=18.546kHz,品质因素 Q=fC/BW=0.0&则此滤波器能滤掉频率超出 133.618Hz18.68kHz范围之外的波。4 .无源带阻滤波器19欠0迎下载(1)先选定无源带阻滤波器的中心频率fC =5kHz。C(2)再选取两个电阻R1=R2=R3=R=1K。(3)根无源高通滤波器中心频率计算公式fC =得 C1=C2=C3=& 31.8nf.贝U取 C1=C2=C3=30n£2冗 2冗RC(4)根据以上参数，按图14电路进行仿真。CSL.251 kHz工91出Bode Plotter-XBP4图14无源带阻滤波器电路图r347kHr<

17、;11,379 dB4Mode Magniimk Ph 里史HorijontalVerticalLog j Liti Log J UnF 1GHiF 0dBI 500Utizj ZDdBControlsReverar Sawe - 5et. » + In o< _+ 3 Out (u -图15无源带阻滤波器仿真图1Bode Plotter-X6P4Mode M/nitijdEHorizontal【Log ： Ln F 1GdzI 500回ControlsPhase erticalRgvecseLQS If un 'adB.30曲+ j In 寸 jj Out -图16

18、无源带阻滤波器仿真图 2精品文档图17无源带阻滤波器仿真图3从图中可以看出中心频率fC=5.347kHz,通带宽度 BW=19.35kHz,品质因素 Q=fC / BW=0.2&则此滤波器能滤掉频率范围在 1.251kHz20.601kHz内的波。四.设计心得与体会这次课程设计的课题是无源滤波器的设计，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，在设计过程中，遇到过很多困惑，通过上网、图书馆查资料、咨询老师等途径等途径解决了不少困惑。 掌握了更多有关滤波器的知识。同时，在这次课程设计中也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不 足。好多理论知识都还未掌握透彻，不能完全地把学到的正确的用在实践中。另外，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结 合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计课程过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免 下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解 决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。设计过程，好比是我们人类成长的 历程，常有一些不如意