有源滤波器设计

1、XXX毕业设计报告有源滤波器设计学生姓名杜超超所 在 系电子信息工程系班 级五电0701班专 业应用电子技术指导教师XXX2011年10月20日摘 要 本设计利用模拟电路和数字电路相关知识，根据设定中心频率，采用开环增益80dB以上的集成运算放大器，设计二阶低通、高通、带阻、带通滤波器。利用Multisim7仿真出各种滤波电路的波形和测量幅频特性。通过仿真和成品调试表明设计的有源滤波器可以达到设计要求。主要设计内容：1确定有源滤波器的中心频率；2设计低通、高通、带阻、带通滤波器；3测量设计的有源滤波器的幅频特性；4制作与调试关键词：低通、高通、带阻、带通滤波器目 录第1章 概 论11.1 选题

2、依据11.2 有源滤波器的发展概况及现状11.3有源滤波器与无源滤波器的优缺点21.4滤波器的分类21.5 设计的主要内容2第2章 有源滤波器的作用与结构32.1 滤波器的基本概念32.2 各种滤波器的作用和结构4低通滤波器(LPF)4高通滤波器（HPF）5带通滤波器（BPF）5带阻滤波器（BEF）6第3章 有源滤波器设计83.1低通滤波器设计8参数的计算8仿真及幅频特性测量83.2 高通滤波器的设计9参数的计算9仿真及幅频特性测量103.3带通滤波器的设计10参数的计算10仿真及幅频特性测量113.4 带阻滤波器的设计12参数的计算12仿真及幅频特性测量13第四章 制作与调试154.1制作1

3、54.2调试15低通滤波器调试15高通滤波器调试15带通滤波器调试16带阻滤波器的调试16第5章 总 结17致谢18参考文献19附 录20第1章 概 论1.1 选题依据 根据所学的专业和自己的爱好，采用数电、模电知识来完成有源滤波器的设计。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。1.2 有源滤波器的发展概况及现状 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。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由

4、于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，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，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。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。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。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展

5、，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越

6、来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。1.3有源滤波器与无源滤波器的优缺点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600千瓦。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

7、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。1.4滤波器的分类 滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种。（1）按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又

8、可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。（2）按选择物理量分类-按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围分类-按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。1.5 设计的主要任务 本次设计主要利用RC串并联来组成各种频率的滤波电路，必须实现低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波四项功能；要求选用放大增益大于80dB以上

9、的集成运放 ；通频带自定义；电路实现后测量出各个滤波电路的频率特性。第2章 有源滤波器的作用与结构2.1 滤波器的基本概念由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)四种滤波器，它们的幅频特性如图2-1所示。由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然

10、。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。（a）低通 （b）高通(c) 带通 （d）带阻图21四种滤波电路的幅频特性示意图2.2 各种滤波器的作用和结构低通滤波器(LPF)1. 低通滤波器特性低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图22（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图22（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。(a)电路图 (b)频率特性图22 二阶低通滤波器

11、2电路性能参数二阶低通滤波器的通带增益: (2-1) 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率: (2-2)品质因数Q,的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状: (2-3)当 时，Q>1，在 处的电压增益将大于 ，幅频特性在 处将抬高如图2-2所示。当 3时，Q=，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。 高通滤波器（HPF） 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。只要将图22低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图23(a)所示

12、。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特性。(a) 电路图 (b) 幅频特性图23 二阶高通滤波器 当 时，幅频特性曲线的斜率为+40 dB/dec；当 3时，电路自激。电路性能参数、各量的函义同二阶低通滤波器。图23（b）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。 带通滤波器（BPF）1.带通滤波器特性带通滤波器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，注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器

13、。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24所示。(a) 带通滤波器原理框图（b）电路图 (c)幅频特性图2-4 二阶带通滤波器2.电路性能参数通带增益： (2-4) 中心频率： (2-5) 通带宽度： (2-6)品质因素： (2-7)此电路的优点是改变和的比例就可改变频宽而不影响中心频率。 带阻滤波器（BEF）1.带阻滤波器带阻滤波器的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过，如图25（a）所示。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF  (a)电路图(b)频率

14、特性 (c)原理框图图25 二阶带阻滤波器2.电路性能参数通带增益： (2-8)中心频率: (2-9)带阻宽度: (2-10) 品质因数： (2-11) 第3章 有源滤波器设计3.1低通滤波器设计参数的计算设定低通滤波器的截止频率为、电容为,， 由公式（2-2） 得出.由公式,则, 。 图3-1低通滤波电路图 仿真及幅频特性测量图3-2 输入、输出波形图其中曲线（1）为输出波形，曲线（2）为输入波形。 （a）低通的通带增益 (b) 低通的截止频率图3-3 低通的频率特性 从图3-2中可以读出输出、输入的波形之比为1.6倍左右，从图3-3(a)中可以读出它的通带增益为3.97dB,下降3dB为0

15、.97，此时它所对应的频率为可以从图3-3(b)中读出为15.8KHz,即截止频率，通过仿真表明该设计具有好的低通滤波特性。3.2 高通滤波器的设计参数的计算 设高通的截止频率为、电容为,，由公式（2-2）得到: 得出。由公式,则, 。图3-4高通滤波电路图仿真及幅频特性测量 图3-5 输入、输出波形图其中曲线（1）为输出波形，曲线（2）为输入波形。 (a) 高通的通带增益 (b) 高通的截止频率 图3-6高通的频率特性从图3-5中我们可以看出输出波形与输入波形之比为1.58倍，从图3-6的(a)中仿真出高通的通带增益为3.9dB左右，下降到3dB的时候为0.9dB，从(b)中读出它的截止频率

16、约为1.59KHz,与我们设计的理论值很接近，可以为下一步提高依据。3.3带通滤波器的设计 参数的计算从图3-7中我们知道它是由高通和低通串联而成的，设带通的频带宽度其中高通的截止频率为通带的上限频率，低通的截止频率为通带的下限频率。设高通和低通的电压放大倍数都为：，高通的电容,低通电容，由公式（2-2）、（2-3）得出 图3-7 带通滤波电路图 仿真及幅频特性测量 图3-8 输入、输出波形图其中曲线（1）表示输出波形，曲线（2）表示输入波形。 (a) 带通的通带增益 (b) 带通的下限截止频率 (c) 带通的上限截止频率图3-9 带通幅频特性带通滤波电路要求频带范围为1.58KHz-15.8

17、KHz。我们可从图3-8中我们可以读出带通滤波器的输出、输入之比为约2.1倍,从图3-9的(a)中读出带通滤波器的通带增益为7.8dB，从(b)读出比通带低3dB的频率是1.578KHz即为通带的下限频率，从(c)中看出通带的上限频率为16.48KHz,由仿真结果可以看出频带宽为1.57KHz-16.41KHz。3.4 带阻滤波器的设计参数的计算设带阻滤波器的中心频率=,，10，根据公式（2-2）、（2-11）得，根据公式（2-1），则。要满足运放的对称性,即，由公式（2-11）则，图3-10带阻滤波电路图仿真及幅频特性测量图3-11 通带时输入、输出波形其中曲线（1）表示输出波形，曲线（2）

18、表示输入波形。图3-12 中心频率时输入、输出波形其中曲线（1）表示输入，曲线（2）表输出。 (a) 带阻的通带增益 (b) 在中心频率时的增益 图 3-13 带阻的幅频特性 从图3-11中我们可以看出带阻滤波器在通频带时，它的放大倍数约为2倍，图3-12我们可以看出在中心频率的时候，输出波形约为输入的0.1倍，达到了陷波的目的。从图3-13 (a)中可以读出它的通带增益为5.8dB。图(b)则描述了它在中心频率时对应的增益为-12.58dB。第四章 制作与调试4.1制作 按照原理图安装元器件。4.2调试低通滤波器调试1.故障：在调试低通滤波电路时候，示波器起初没有任何现象。2.分析：首先检查

19、是否有电源输入电压，应查集成运放NE5532的4和8脚，结果发现没有，说明故障可能出现在供电电路，断开4和8脚，用万用表测量电源输出端是否有输出，测量出有电压，说明后面有短路或者是集成运放坏，经仔细检查电路后，发现有导线短路到地。3.解决：把导线移除，最后使电路恢复了正常。4.参数：实验电路如图3-1（1）粗测：接通±12V电源。ui 接函数信号发生器，令其输入为Ui1V的正弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频率，用示波器或交流毫伏表观察输出电压幅度的变化是否具备低通特性，如不具备，应排除电路故障。（2）在输出波形不失真的条件下，选取适当幅度的正弦输入信号，在维持输入信号幅度

20、不变的情况下，逐点改变输入信号频率。测量输出电压，记入表4-1中。表41 低通各点的输出电压值频率f(Hz)800100001300020000输出UO(v)1.61.51.20.01测量低通的截止频率在15.8KHz左右，其增益为3.98dB，下降到3dB的时候为0.98dB，放大倍数与计算值几乎相同约为1.58倍，此电路很成功。高通滤波器调试1故障：高通滤波电路在调试过程中一切正常。2. 参数：实验电路如图3-4（1）粗测：输入Ui1V正弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频率，观察电路是否具备高通特性。（2）测出输出电压，记入表4-2。表42 高通各点的输出电压值频率f(Hz)80

21、0130020003000输出UO(v)0.50.81.51.578 测量高通的截止频率在1.57KHz左右，其增益为3.98dB，下降到3Dbd的时候为0.98dB，放大倍数与计算值几乎相同约为1.58倍，此电路很成功。带通滤波器调试1.故障：带通电路在调试过程中一切正常。2.参数：实验电路如图（3-7），测量其频率特性。记入表43。表43 带通各点输出电压值频率f(Hz)100500190019881500020000输出UO(v)0.011.522.21.90.01 带通滤波电路要求频带范围为1.58KHz-15.8KHz。带通滤波电路BPF由一个HPF和LPF串联而成，必须保证LPF的

22、下限频率大于HPF的上限频率；从表43中读出比通带增益低3dB处的频率分别是1.478KHz-15.441KHz。与设计的很接近，电路成功。带阻滤波器的调试1故障：其滤波电路的效果虽然有，但是并不明显。2分析：如图3-10仔细检查了电路并没有任何异常，怀疑是示波器的效果不怎么好，至与究竟是什么原因目前并没有找到。 由于带阻滤波器没有很好的效果，在示波器上无法测量出它在不同的频率对应的不同输出电压值。第5章 总 结本次设计主要通过模拟电路和数电的知识来设计出能够通过低频、高频、通带、阻带的全能滤波器电路，其中又包括四部分电路，分别是低通滤波电路，高通滤波电路，带通滤波电路和带阻滤波电路。在整个电路中采用了两块集成运放NE5532,它的放大增益大于100dB，与设计要求符合。低通和高通由两级RC和集成运放构成，带通和带阻则是用低通和高通串并连构成。在本次设计中低通、高通、带通功能能够实现，遗憾的是