二阶压控型低通、高通、带通、带阻滤波器的设计

1、东北石油大学课程电子线路综合课程设计题目有源滤波器设计院系电子科学学院专业班级电子信息工程14-3学生姓名陈忠听学生学号140901140308指导教师韩建2016年7月14日东北石油大学课程设计任务书课程电子线路综合课程设计题目有源滤波器设计专业电子信息工程14-3姓名陈忠昕学号140901140308主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：利用运算放大器组成有源低通、高通、带通、带阻滤波器。基本要求：1 .通频带自定义；2 .测量设计的有源滤波器的幅频特性；3 .选用通用运算放大器，运放的开环增益应在80dB以上；4 .采用Multisim软件进行仿真，验证和完善设计方案；5 .按要求

2、完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。主要参考资料：1童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.2陈明义.电子技术课程设计实用教程（第3版）M.长沙：中南大学出版社，2010.3程春雨.模拟电子技术实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2016.完成期限2016年7月14日指导教师专业负责人2016年7月5日一、任务技术指标1 .二阶压控型有源低通滤波器（LPF）设计一个二阶压控型有源低通滤波器，要求特征频率f0=100kHz,Q=1；2 .二阶压控型有源高通滤波器（HPF设计一个二阶压控型有源高通滤波器，要求特征频率fo=100Hz,Q=1;3 .二阶压控

3、型有源带通滤波器（BPF3设计一个二阶压控型有源带通滤波器，要求中心频率为f0=5KHz,Q=2;4 .二阶压控型有源带阻滤波器设计一个二阶压控型有源带阻滤波器，要求中心频率为f=100Hz,Q=2;二、总体设计思想设计滤波电路实现，让指定频段的信号能比较顺利地通过，而对其他频段信号起衰减作用。如低通滤波电路能使低频信号顺利通过，而使高频信号受到抑制。常见的无源滤波有RC滤波，但RC滤波电路中的电阻会消耗信号能量，所以我们用放大电路和RC网络组成有源滤波电路，以提高滤波性能。1.二阶压控型有源低通滤波器（LPF）图1-二阶压控型有源低通滤波器电将简单二阶有源低通滤波电路中C1的接地端改接到集成

4、运放的输出端，形成反馈。如图1所示，对于反馈信号而言，电容C1具有超前作用，而电容C2=具有滞后作用。因此只要参数合适，可使该电路在f0附近的反馈极性为正，又不致造成自激振荡，从而使f0附近的电压放大倍数得到提高。当ff0时信号被C2衰减，输出电压的幅值小，反馈信号弱，对电压放大倍数影响也不大。1）通带电压放大倍数通带电压放大倍数是f=0时输出电压与输入电压之比。而对于直流信号而言，电路Rf中的电容相当于开路，因此通带电压放大倍数Aup=1+Ri2)传递函数集成运放同相输入端的对地电压与输出电压的关系是u+=uo(s)(ii),u+(s)Aup1与M点的电位关系是U+(s)=Um(s)(III

5、)1sCRUi(S)-UM(S)UM(S)_U(S)由下点电流法可得-UM(S)-Uo(S)sC=0(IV),RR将(I)(II)(III)式联立求解，可以得到传递函数Au(S)=Ap2(V)。1(3-Aup)sCR(sCR)该式表明此电路的通带电压放大倍数应该小于3,否则Au(s揩有极点处于右半s平面或虚轴上，电路不能稳定工作。若希望Aup3,可采用二阶无限增益多路反馈LPF。3)频率特性将传递函数中的s换成j，并令伊o=2nf0=贝有Au=%-。f2fRC1-(f)j(3-Aup)f0f0当=加时可化简为Au=Ap(VI)。j(3-Aup)2. 二阶压控型有源高通滤波器(HPF有源高通滤波

6、器与有源低通滤波器成对偶关系，如图2所示二,CUo(S)Ui(S)工；R-Ui(S)图2-HPF和LPF的对偶关系示意图幅频特性曲线、传递函数与LPF成对偶关系。若HPF和LPF的通带截止频率相同,那么HPF和LPF的幅频特性以垂直线f=fp为对称，二者随频率的变化是相反的，HPF的1|Au|随频率升高而增大。将LPF传递函数中的s换成,，调整一下系数，则变成了相应的sHPF的传递函数。所以，可以得到1)通带电压放大倍数当频率足够高时，电容C1和C2可视为短路，因此HPF的通带电压放大倍数为.RfAup=1+R12)传递函数根据对偶关系，将LFP传递函数中的sCR换为则得到HPF的传递函数sC

7、RAupAu(S)=11一2，1(3-Aup)()sCRsCR整理得Au(S)=2(sCR)Aup1(3-Aup)sCR(sCR)23)频率特性将Au(S)二1(3-Aup)Aup1一(一,sCRsCR17中的s换成j，并令0=2才0=)2RC则有AupAu=-f02f01 -()j(3-Aup)-ff否则所以fv却2印teon：IMR31C0R12V图7-HPF电路Rf则通带电压放大倍数Aup=2,联立R1/Rf=2+3=2和公式Aup=1+,可以解得R1R1=Rf=636k?。于是根据以上参数在multisim上仿真电路，电路图如图7所示：3)二阶压控型有源带通滤波电路设计要求中心频率为5

8、KHz,Q=2的带通滤波器。先选择1C=100nF,则根据f=一12二RC可得R=318.310?,取R=318?。再计算Ri和Rf的值,1一一一Q=2,则Auf=2.5,代3-Auf、Rf入Aup=1+,再联立R1/Rf=R2=2R,贝U可选取RfR1=1.6kQ,Ri=1.0kQ,串联一个R4=2R-(R1/Rf)=0.6?以满足对称条件以上参数在multisim上仿真电路，电路图如图8所示：否敢发生器-XFGU波形Xfifl信号选项占空比：丽i：置出上升吓隹时间普通.工-R1-VAtOkDX3C1BfZR4-WVO.IQXFG1：C2-1御-31盒口-12VC1TI-1W肝VIRft6k

9、Cf。2二RCQ二-可得R=159.155?,取R=160?。再计算R1和Rf的值，2(2-Aup)=2,则Aup=1.75,Rf,代入Aup=1十一，冉联立R1/Rf=2R,则可选取R1普通十R5-VA-,5Mn.C1J_75DflC2XSC1.XFdi.-nr1OpF：而；L-AMt-tteofiT一-WuF-：R3：tern前-UI1JV图9-BPF电路Rf=560Q,Ri定750c。仿真如图9所示2 .仿真及仿真结果分析1）二阶压控型有源低通滤波电路仿真及分析图10-LPF电路增益分析由图10可知，电路增益约为2,达到要求。增益8.298dB;当f=f0=100.103kHz时，增益为

10、4.701dB;当f=fL=405.387kHz时，增益为-19.134dB。2）二阶压控型有源高通滤波电路仿真及分析由图12可知，电路增益约为2,达到要求。I+T2*T2-T1时基希度:时间6.000s9,001s9W31BUS500间蚀界搞位移（格）；0IWI添加B/A1,976V1月甑V3.950mV通道4,023V5V21.64BmV通酎A刻度：|】电DM丫轴位移（格】二0I交流I0直潴增益约为2通道8刻度：5V/tnvY轴位段格）：口守将ClTS潜-反向保存外触发胜魅边沿:：7，国水平:BExt库茨1正常自动无图12-HPF电路增益分析由图13可知,当f=f0=5.106kHz时，增

11、益为4.619dB;当增益为0.7倍4.169dB时,有fH=264.46kHz和fL=83.034Hz。3）二阶压控型有源带通滤波电路设计示选器-X5C1由图14可知，电路增益约为2,达到要求。由图15可知，当f0=5kHz时，增益为7.377dB;fp二上J（3_Auf）2十4（3_Auf）可知,fH-6.4kHz时增益为7.683kHz;fL=3.9kHz24）二阶压控型有源带阻滤波电路设计由图16可知，电路增益约为2,达到要求。示波器XSC1反向图1.6.231mV72-Ti外触发图16-BPF电路增益分析T1+T2一时间167309S1.67.47DS951.70516.5D9V6.

12、52&V4.9Z6V文丹95-30.995mV由图17可知，当f0=100Hz时，增益为-31.894dB;当稻728Hz时增益为1.919dB;fL=78Hz时，增益为1.715dB0四、结论滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制（或衰减）无用频率信号的电子电路或装置，在工程上常用它来进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。有源滤波器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，但因受运算放大器频率限制，这种滤波器主要用于低频范围。本次设计主要是在所学模拟电子技术基础、数字电路基础等专业知识的基础上研究和设计几种

13、典型的二阶有源滤波电路：压控型二阶有源低通滤波电路、压控型二阶有源高通滤波电路、压控型二阶有源带通滤波电路、压控型二阶有源带阻滤波电路，研究和设计其电路结构、传递函数，并对有关参数进行计算，再利用multisim软件进行仿真，组装和调试各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，本次设计的二阶有源滤波器各测量参数均与理论计算值相符，通频带的频率响应曲线平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，衰减率可达到k40Db/10oct|,滤波效果很理想。四种有源滤波电路之间可以相互转换，将LPF中起滤波作用的RC对调即变为HPF,将LPF和HPF串联，调整参数即为BPF,将LPF和HPF并联则可得

14、到BEF。参考资料1童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.2陈明义.电子技术课程设计实用教程（第3版）M.长沙：中南大学出版社，2010.3程春雨.模拟电子技术实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2016.4程勇.实例讲解Multisim10电路仿真M.北京：人民邮电出版社，2010.5龚晶、刘斌、陈军.RC有源滤波器实验与仿真研究J.南京：解放军理工大学理学院东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称电子线路综合课程设计题目名称（学生填写）学生姓名（学生填写）学号（学生填写）指导教师姓名（学生填写）职称（学生填写）厅P评价项目指标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守