电子课程设计-二阶有源高通滤波器

/长沙学院电子技术课程设计说明书题目有源高通滤波器设计系<部>电子信息与电气工程系专业<班级>光电2班姓名学号2013041216指导教师起止日期模拟电子技术课程设计任务书系〔部：电子信息与电气工程系专业：光电信息工程指导教师：龙英课题名称有源高通滤波器设计设计内容及要求1.技术参数设计一个能阻挡低频信号,输出高频信号的有源高通滤波电路；2.设计要求举例说明所设计的有源高通滤波器的广泛应用,并熟悉芯片LM741EN的各引脚功能,以及其应用。简要说明电路的工作原理。计算并选择电路元件及参数；仿真调试电路；〔4撰写设计报告及使用说明书。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〔或预期目标备注第一天课题介绍,答疑,收集材料第二天设计方案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指导老师意见年月日教研室意见年月日XX学院课程设计鉴定表姓名学号2013041216专业光电信息科学与工程班级2班设计题目有源高通滤波器设计指导教师指导教师意见：评定成绩：教师签名：日期：答辩小组意见：评定成绩：答辩小组长签名：日期：教研室意见：最终评定等级：教研室主任签名：日期：说明课程设计成绩分"优秀"、"良好"、"中等"、"及格"、"不及格"五等。目录TOC\o"1-3"\h\u32341一、有源高通滤波器的广泛应用53553二、LM741EN芯片引脚功能及其应用513122LM741芯片引脚和工作说明：520290三、有源高通滤波电路介绍及其工作原理6323291.滤波电路6127522.集成运放电路和反馈电路6144243.二阶有源高通电路框架图：822683四、有源高通滤波电路的设计822190〔1设计方案85255〔2元器件参数计算和选择〔截止频率的选定818935〔3对设计的电路进行仿真调试108997①仿真电路1013008②波特图幅频特性1023325③波特图相频特性118568④输入波形与输出波形比较〔红色为输入波形,蓝色为输出波形11275五、有源高通滤波电路的扩展和改良1314574四阶有源高通滤波电路13327利用记录仪观察波形数据1315531六、实训总结1424741七、参考文献14有源高通滤波器的广泛应用滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件,广泛应用于电力系统、通信发射机与接收机等电子设备中,它能减弱或消除谐波的危害,对无用信号尽可能大的衰减,让有用信号尽可能无衰减的通过,从而纠正信号波形畸变。所以,无论信号的获取、传输,还是信号的处理和交换都离不开滤波技术。在近代电信设备和各类控制系统中,滤波器应用极为广泛,尤其是有源高通滤波器。它在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用,有源高通滤波器的优劣直接决定产品的优劣。所以研究滤波器,具有重大意义。LM741EN芯片引脚功能及其应用LM741EN是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。具有广泛的共同模式,差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。由于采用了有源负载,所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。电路采用内部补偿,电路比较简单不易自激,工作点稳定,使用方便,而且设计了完善的保护电路,不易损坏。可广泛应用于各种数字仪表及工业自动控制设备中。LM741EN引脚图LM741芯片引脚和工作说明：1和5为偏置<调零端>2为正向输入端3为反向输入端4接地6为输出7接电源8空脚有源高通滤波电路介绍及其工作原理有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分,衰减或抑制无用的频率成分,并对有用的频率成分具有一定的电压放大作用。有源高通滤波电路包括：滤波电路、集成运放和反馈电路三个部分。其中滤波电路能有效滤除无用频率信号成分,保留有用频率信号成分。集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用,使电路滤波特性趋于理想。1.滤波电路根据放大电路的频率响应,由于电抗元件及半导体管极间电容的存在,当输入信号频率过低或过高时,导致放大倍数数值变小,产生超前或滞后的相移。而对于高通滤波电路,当信号频率较低时,耦合电容和发射极电容很大,分压作用不可忽略。由于耦合电容的存在,对信号构成了高通电路,即对于频率足够高的信号电容相当于短路,信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到一定程度时,电容的容抗不可忽略,信号将在其上产生压降,从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。RC网络在电路中起着重要的作用,滤掉不需要的信号,这样在对波形的选取上起着至关重要的作用,通常主要由电阻和电容组成。其中,高通滤波电路又分为一阶、二阶和高阶,而高阶滤波电路可以由低阶滤波电路级联而成。其中一阶滤波器电路最简单,但带外传输系数衰减慢,过渡带较宽,幅频特性衰减小,一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。增加RC环节,变成二阶高通可加大衰减斜率。下图分为一阶、二阶高通滤波电路。二阶高通滤波电路C1二阶高通滤波电路C1C2R1R2UoUiRCUiUo一阶高通滤波电路2.集成运放电路和反馈电路集成运放应用在信号的运算和处理中,以输入电压为自变量,以输出电压作为因变量。当输入电压变化时,输出电压将按一定的数学规律变化,即输出电压反映输入电压某种运算的结果。为了实现本设计的通频带放大增益,对于基于理想运放的放大电路,采用"虚短"和"虚断"的分析方法,运放电路中应引入负反馈,使净输入量趋于零,才能保证集成运放工作在线性区。为了稳定输出电压,故引入电压负反馈。运放电路的特征是从集成运放的输出端到其反相输出端存在反馈通路。根据设计要求,输入端是信号电压源,输出端要求得到稳定的电压,因此放大电路中应引入电压串联负反馈或电压并联负反馈。根据以上分析,可得电路设计：通带增益：特征角频率：等效品质因数：传递函数：归一化的幅频响应：巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应：归一化响应：3.二阶有源高通电路框架图：集成运放集成运放信号输出反馈网络RC网络信号输入有源高通滤波电路的设计〔1设计方案将二阶高通滤波电路、集成运放电路和反馈电路按框架图连接起来,可得到一个二阶有源高通滤波器电路,并在输入和输出端口分别连上波特图示仪和示波器观测输入信号与输出信号的变化,调节输入信号的频率,从而判断本电路是否起到衰减或抑制截止频率以下的频率的作用。下图为基本电路设计。〔2元器件参数计算和选择〔截止频率的选定由于理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图中,通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带,在过渡带内的频率成分不会被完全抑制,只会受到不同程度的衰减。当然,希望过渡带越窄越好,也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此,理想滤波器的特性只需用截止频率描述,而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点,故需用更多参数来描述。理想滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移,而在阻带内其幅值应为零。实际的滤波电路往往难以达到理想的要求。如果同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更为困难。由于巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性,所以本次设计采用巴特沃斯有源高通滤波电路。已知截止频率f=1/2πRC,而巴特沃斯滤波器中Q=0.707,其输出响应幅度表达式为：其中：下面以截止频率=200Hz设计电路中器件参数选择。①R的值一般选取几千欧到几百千欧。电容选用0.033μF则=1/2π*200Hz*0.033μF*=24.11kΩ≈24kΩ②由于是巴特沃斯滤波器,Q=0.707,即：=3-=3-=1.586,则=0.586③平衡电阻必须满足平衡条件,即并联的值为2R,于是有：于是可以解得：≈130kΩ,≈76kΩ.经上述计算,可以选定二阶高通滤波电路的元件参数为：=130kΩ=76kΩR=24.11kΩC=0.033μF〔3对设计的电路进行仿真调试①仿真电路根据设计的高通滤波电路和计算出来的元件参数,在Multisim10中对电路进行仿真调试,其中分别在电路输入与输出两端连上波特图示仪和示波器,对输入与输出的波形进行监测,从而验证电路是否具有衰减或抑制截止频率以下的频率的作用。用2V交流电源〔频率可变作为输入信号,在电压信号幅值不变的前提下,改变其频率,便可测得电路对不同频率的信号的滤除作用。下图为Multisim10中的仿真原理图。②波特图幅频特性由右图可以看出,当f小于203.87Hz时,随f升高而增大。则表明频率越接近203.87Hz,信号就能通过电路放大并能有完整输出。则截止频率约为200Hz,与预期选定设置的截止频率相符。③波特图相频特性相频特性图如图所示,截止频率为203.87HZ,与所设计相符合。④输入波形与输出波形比较〔红色为输入波形,蓝色为输出波形〔1当输入频率小于200HZ的时：f=10HZ时f=50HZ时f=100HZ时f=150HZ时当输入频率等于200HZ的时：当输入频率大于200HZ的时：f=250HZ时f=300HZ时当输入信号频率分别为10Hz、50Hz、100Hz、150Hz时,输入电压为2V,而输出电压仅有毫伏级别,则可以看出信号被大大抑制,达到了滤波作用。而10Hz、50Hz、100Hz、150Hz小于100Hz,与预期结果相符。当输入信号频率等于截止频率200Hz时,信号能通过电路并能放大输出,与预期结果相差不大。当输入信号频率为250Hz、300Hz,输入电压为2v时,信号被放大输出为2.593V、2.633V与预期相差不大。有源高通滤波电路的扩展和改良由于滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器的技术指标有通带和阻带之分,通带指标有通带的截止频率〔没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率,通带传输增益。阻带指标为带外传输增益的衰减速度。根据以上的计算和设计,完成了简单的二阶有源高通滤波电路。但是由幅频特性图可以看出,二阶高通滤波器滤波效果不够好,幅频特性衰减率较低。故考虑采用更高阶数的有源率波电路,但采用反相输入设计时,系统的传输函数较复杂,故采用同相输入设计,阶数过高则电路复杂,成本高。因此,设计了一个四阶有源滤波电路扩展改良。四阶有源高通滤波电路利用记录仪观察波形数据:实训总结有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分,有效衰减或抑制无用的频率成分,并对有用的频率成分有一定的电压放大作用。有源高通滤波电路应包括：滤波电路、集成运放、反馈电路三个部分。滤波电路能有效滤除无用频率信号成分,保留有用频率信号成分。集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用,使电路滤波特性趋于理想。二阶有源高通滤波电路在滤波效果、幅频特性衰减率方面相对高阶段滤波电路要差。但是通过两节二阶滤波电路级联可构成四阶甚至跟高阶的滤波电路,使其幅频特性曲线更接近理想的特性。在使用Multisim10软件中进行仿真实验时,我对二阶高通滤波电路的频率特性和不同频率下的输出信号进行了分析,电路能有效滤除或衰弱截止频率为200Hz以下的电压信号,能完整传送频率200Hz以上的电压信号,并对其有一定放大作用,最终结果基本达到了预期要求。但是个人觉得本次设计还存在很多不足,