带通带阻滤波

黄冈师范学院 实验课程设计报告 课程:《电子技术综合实验（二）》题目:程控滤波器设计与制作专业班级：电子信息工程2012级学号：2014222020305学生姓名：指导教师：完成日期:2015年6月滤波器设计专业：电子信息工程班级：201203班作者：胡斯哲指导老师：谢伟摘要 在工业场合，电子电力系统中，电路会受到杂波的干扰，所以滤波器在电路中应用十分广泛。本论文是基于Proteus设计并实现有源带通滤波器和有源带阻滤波器，对有源滤波器的设计方法进行了详细的分析，实现了六阶巴特沃斯带通和带阻滤波器设计，用仿真软件Proteus对设计结果进行了仿真与分析，并将仿真结果与实际测量结果进行了对比分析。关键词：PROTEUS；巴特沃斯；带通滤波器；带阻滤波器目录摘要 1目录 21、绪论 31.1滤波器的发展阶段 31.2课题研究的背景 32、原理分析 43、设计框图 54、滤波设计系统设计 64.1方案比较 64.2技术参数确定和设计步骤 74.3Proteus仿真波形及频率响应图 84.3.1低通滤波器 84.3.2高通滤波 94.3.3带通仿真 104.3.4带阻滤波器 104.4实验数据 115、结束语 126、参考文献 13附录一 14附录二 16

1、绪论1.1滤波器的发展阶段电容滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络。从1915年Wagner和Campbell分别首次提出滤波器的概念以来，滤波器经历了无源分立RLC元件、集成线性元件/混合集成电路和单片全集成电路的发展历程，取得了长足的进步。随着滤波器理论的发展，特别是1977年美国加州大学Berkeley分校的学者组成的研究小组集成了第一片单片MOS开关电容滤波器，开关电容滤波器成为了滤波器理论中十分活跃的分支，受到了电路理论工作者和集成电路设计者的广泛关注。开关电容滤波器(SCF)电路其核心部分由模拟开关、电容器和运算放大器组成，其传输函数系统特性取决于电容容量比的准确性，易于用MOS工艺实现。因此，70年代末，MOS工艺发展迅速，MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功率等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅速发展提供了很好的条件。国际上，70年代末至80年代中是SCF大发展时期，完成了从原理、结构探讨至工业化过程，并被广泛应用于通讯等领域。国内在70年代有我国自主知识产权的电子产品。目前，开关电容滤波器正向着集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向发展，出现了很多的新方法来设计低电压、低功耗、低电容比和运放增益灵敏度的SC滤波器。而随着开关电容滤波器设计技术的日加成熟，开关电容滤波器的应用也更加广泛.从无限通讯到视频应用，再到集成电路设计，开关电容滤波器都越来越多的发挥着重要的作用。1.2课题研究的背景

随着滤波系统在各类电子装置中的普遍使用，普通的滤波器在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。低精度的滤波器在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对滤波器提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。传统滤波器功能单一，调节精度不高，人机界面不友好，而且经常跳变，使用麻烦。随着集成电路技术的发展，目前已有高阶专用的开关电容滤波器芯片，但其价格高，电路噪声也不尽如人意，此外还存在信号混叠问题。

滤波系统是目前滤波器的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸

如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。2、原理分析1、有源ＲＣ低通滤波器的设计（LP）下图为有源二阶低通滤波器的电路图和幅频特性曲线图。其幅频特性顶部平坦，但其过渡带的陡度只有－40分贝/十倍频程，滤波效果不理想。若将三个二阶滤波器串联，就可构成一个6阶有源低通滤波器，其幅频特性顶部与二阶有源低通滤波器一样，但其过渡带的陡度有－120分贝/十倍频程，滤波效果非常好，接近理想特性。图12、有源ＲＣ高通滤波器的设计（HP）将有源ＲＣ低通滤波器中的电阻和电容对换，即可实现有源ＲＣ高通滤波器。电路如图-2。图-23、有源ＲＣ带通滤波器的设计（BP）将有源ＲＣ高通滤波器和有源ＲＣ低通滤波器进行串联来实现有源RC带通滤波器。4、有源ＲＣ带阻滤波器的设计（BE）将有源ＲＣ高通滤波器和有源ＲＣ低通滤波器进行串联来实现有源RC带通滤波器。有源ＲＣ带通滤波器和有源ＲＣ带阻滤波器是由有源ＲＣ低通滤波器、有源ＲＣ高通滤波器的串联、并联构成的，因此系统设计的关键是有源ＲＣ高通滤波器和有源ＲＣ低通滤波器。其性能的好坏影响到有源ＲＣ带通滤波器、有源ＲＣ带阻滤波器的性能。3、设计框图图3通过切换开关选择高通和低通滤波器。k2、k3、k4断开，k1闭合时，预置为有源RC低通滤波器；k1、k2断开，k3、k4闭合时,预置为有源RC高通滤波器；k1、k3断开，k2、k4闭合时,预置为有源RC带通滤波器；k2断开，k1、k3、k4闭合时,预置为有源RC带阻滤波器；4、滤波设计系统设计4.1方案比较1、有源RC滤波器通带截止频率的控制要实现滤波器的截止频率在1kHz—20kHz范围内按1kHz步进，有两种方法：方案一、固定电阻，切换电容由于电容的系列值较电阻少，且电容的选取难，如果近似选取，产生的误差较大，很难达到题目的要求。方案二、固定电容，切换电阻经比较，由于电阻系列值较多，容易选取，且价格低，元器件参数的选择和控制方便。2、滤波方案选择通过EWB软件仿真，得到有源RC低通契比雪夫、有源RC低通巴特沃斯、有源RC低通贝塞耳滤波器幅频特性曲线如图4所示。图4通过对图（4）中的三种幅频特性曲线的比较和分析，巴特沃斯有源RC低通滤波器的顶部平坦，通带特性好，该滤波器在过渡带衰减的陡度大，可获得陡峭的频率特性。因此，选用巴特沃斯有源RC低通滤波器能达到较好的滤波效果。4.2技术参数确定和设计步骤确定滤波器的阶数N对于巴特沃斯滤波器其幅频特性一般表达式为:A=Aup1+ffo根据题目的要求f/fo=2(高通f/fo=1/2)从通带截止频率处到2倍通带截止频率处衰减32db以上，则有：20lgA得到：n>=5.3(n

取整数)经上述计算至少需要6阶巴特沃斯滤波器才符合要求。2、电阻和电容的确定：设通带截止频率为f0＝1kHz。根据fo=1/（2лRC）=1000(kHz)，考虑电阻、电容的系列值，首先选取RC滤波网络中的电容为C=2200PF。当通带截止频率f0＝1KHz时，电阻R为72kΩ；当通带截止频率f0＝2KHz时，电阻R为36KΩ；当通带截止频率f0＝4KHz时，电阻R为18kΩ；当通带截止频率f0＝8KHz时，电阻R为9kΩ；当通带截止频率f0＝10KHz时，电阻R为7.2kΩ；4.3Proteus仿真波形及频率响应图4.3.1低通滤波器六阶低通滤波器的波形如图5，频率响应为图6。在图5中绿色波形为输入波形，红色波形为二阶输出，蓝色为四阶输出，黄色波形为六阶输出。在图6中，蓝红绿分别为二、四、六阶的频率响应。电路见附录一绿红蓝黄绿红蓝黄图5六阶四阶二阶六阶四阶二阶图64.3.2高通滤波输入图7中，红色为输入波形，绿色为二阶输出波形，蓝色为四阶输出波形，黄色为六阶输出波形；图8中，红绿蓝分别表示二、四、六的频率响应图。输入六阶四阶二阶六阶四阶二阶图7六阶四阶阶二阶六阶四阶阶二阶图8图94.3.3带通仿真图9中的绿色是输入的1kHz的方波，其中带有1khz、3khz、5khz、7khz……奇次谐波。经过频带为1Khz-10Khz的带通滤波器后，输出波形为图9中的红色波形。经过对红色波形进行傅里叶分析得到图10；从图10可以看到的频率分量有1khz、3khz、5khz、7khz、9khz的分量输出。其他的频率分量都被滤掉。电路见附录一的图一。图104.3.4带阻滤波器图11是中绿色是输入1khz的方波，经过低通截止频率为2kHz高频截止频率为7Khz的带阻滤波器后产生的位红色的波形；而图12是带通滤波器的频率响应图；图13是输出的波形经过傅里叶分析得到的频率分量。从图13可以清楚的看到波形只有小于1Khz和大于7Khz的波形得到放大。电路见附录一的图二。图11图12图134.4实验数据低通：输入频率KHz实际截止频率KHz输入频率KHz实际截止频率KHz10.881110.221.81211.5331312.143.811412.954.81514.265.431615.376.71715.887.561817.498.51918.1109.32018.9高通输入频率KHz实际截止频率KHz输入频率KHz实际截止频率KHz11.21111.622.21212.733.61313.244.31414.755.21515.966.41616.377.01717.388.1181899.41919.41010.52020.85、结束语这次设计让我重新复习了《模拟电子技术基础》这本书，在这个过程中，许多以前被忽略的细节被重新翻了出来，并且在某种程度上决定整个设计的方向。同时通过查阅相关资料，了解了六阶带、阻通滤波器与二阶高通、低通滤波器的相互关系，同时又了解和学习了proteus的使用方法。对我来说，这次的设计题目不算很难，反而是学习和掌握一种新的仿真软件显得更加重要。对于整个设计过程，我感慨很多，从选题到定稿，从理论到实践，中间经历了很多的困难，但是这让我学到了很多的东西。通过这次设计，让我加深了对于滤波器设计的理解，进一步熟练了对于其原理的掌握，并为我今后在相关方面的工作和研究打下了坚实的基础。

最后，感谢一直给予我