二阶高通有源滤波器

学号09700113模拟电子技术基础、丄 口口一IG设计说明书设计二阶高通有源滤波器起止日期：2011年12月24日至2011年旦月31日学生姓名李炯班级09电信1班成绩指导教师（签字）电子与信息工程系

2011年12月29日目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章设计任务及要求 -2-\o"CurrentDocument"1.1、主要技术指标 -2-\o"CurrentDocument"1.2、设计内容及要求 -2-\o"CurrentDocument"第二章滤波器基本理论 -3-\o"CurrentDocument"2.1、滤波器的有关参数 -3-\o"CurrentDocument"2.2、有源滤波和无源滤波 -3-\o"CurrentDocument"第三章设计原理及方案 -5-2.1、设计原理 -5-\o"CurrentDocument"2.2、设计方案 -6-\o"CurrentDocument"第四章二阶高通滤波器电路仿真 -7-4.1、参数选择 -7-4.2、调试 -7-\o"CurrentDocument"第五章参数设计及器件 -9-\o"CurrentDocument"5.1、参数计算 -9-5.2、器件选择 -9-第六章设计心得体会 -10-第一章设计任务及要求.、1主要技术指标工作电压：+12V、-12V；截止频率：20kHz；系统增益：0dB.、2设计内容及要求1、 根据课题，拟定设计方案，简述电路工作原理；2、 根据技术指标，完成单元电路的设计计算，元器件合理选择，并用仿真软件绘制电路图3、 对调试过程中出现的问题应作分析，写出故障原因及如何排除；4、 列出元器件明细表；写出设计心得体会。第二章滤波器基本理论2.、1滤波器的有关参数实际滤波器的基本参数：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，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。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，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。纹波幅度d：在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A相比，越小越好，一般应远小于-3dB。0截止频率fc：幅频特性值等于0.707A所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A为参考值，000.707A对应于-3dB点，即相对于A衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的00点正好是半功率点。带宽B和品质因数Q值:上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力一一频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数，Q=l/2g（§――阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。滤波器的截止频率用来说明电路频率特性指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。在高频端和低频端各有一个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。db的计算公式是20 ,x为信号某一个频率上真正的幅值。用滤波器去测试其截止频率，保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍。所测值为其截止频率。滤波器的带宽为两个截止频率之间的频率范围又称为通频带。.有源滤波和无源滤波无源滤波器通常是用电阻，电容，电感这些无源器件构成的，无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。而有源滤波器常包含运放等要接外部电源才能工作的器件。通常有源滤波的效果较好。无源滤波器：集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。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600kvar。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。有源滤波器与无源滤波器相比，有以下特点：1、 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；2、 滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；3、 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。第三章设计原理及方案、1设计原理二阶高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱(或减少)频率低于截止频率信号通过的滤波器。高通滤波器有综合滤波功能，它可以滤掉若干次高次谐波，并可减少滤波回路数。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。其在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。本设计为使用压控电压源方法设计二阶高通滤波器。图3.1二阶高通有源滤波器2.、2设计方案图3.1是一个二阶高通有源滤波器。（a）中虚线部分是一个无源二阶高通滤波器电路，为了提高它的滤波性能和带负载的能力，将该无源网络接入由运放组成的放大电路，组成二阶有源RC高通滤波器。二阶高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。由图可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。通带增益upA二1€RfupR1截止频率：品质因数：电路电压放大倍数：€(j„第四章二阶高通滤波器电路仿真、1参数选择其中在放大器处加入 2 的直流稳压电源,k€、2调试电路连接好后，我们需要函数发生器、示波器、万用表各一个，一个能产生 ，的直流稳压并联接地电源，及两个交流毫伏表，我们需要函数发生器产生一一，幅值为的信号。输出接函数发生器，输出接示波器，直流稳压电源的 接的引脚，接引脚，交流表接输出信号，交流毫伏表接输入信号 （因为当改变输入信号频率时，由于函数发生器和滤波器组成的电路的阻抗和容抗等会发生变化，输出 的幅值也会相应的发生微小的变化，通过调节函数发生器的幅值，确保的大小保持不变）。仿真电路如图 所示。注意：在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路，且不能带电操作。

、3调试结果当输入信号fv200Hz时，滤波器输出幅值为0;当输入信号200Hzvfv40kHz时，滤波器输出幅值逐渐增大，最终趋于A,0当输入信号f>40kHz时，滤波器输出A趋于最大值IV,如图4.4.0即滤波器电路实现截止频率fL=20kHz的高通滤波器。如图4.3.用波特图显示幅频响应表示为下图：图图4.2幅频特性图4.3输出端波形 4.4输出电压由调试结果知道，实际fL=20kHz，由于我们选择R=R=8k€，导致A=1.1465。up第五章参数设计及器件5.、1参数计算电容器C的容量应在微法数量级上，电阻的阻值应在几百千欧以内。现选择电容大小Cl=C2=lnF，则根据公式可得：R=R=1/（2*€**C）=1/（2*3.14*20000*0.000000001）=8k□，选择电阻8k□（因为实际元件测出Cl、C2并不是完全为1nF,可能是0.978nF和0.969nF）这与计算值有一点误差，所以，可能导致截止频率比20kHz稍有偏差。所以选择：R=R=8kO，C1=C2=1nF，Rf=2k□，R1=13.65k□，贝y：A=1+Rf/R1=1.1465（符合A<3,能稳定工作）。upup、器件选择器件：1、741芯片一块2、面包板SYB-120一块3、导线若干4、函数发生器一台5、示波器一台6、直流稳压电源一台7、交流毫伏表两台8、电阻四个9、电容两个（实际实验时采用的仿真软件，Multisim10)第六章设计心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程回顾起此次模电课程设计，我仍感慨颇多。从选题到定稿，从理论到实践，在接近一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实