课程设计带通滤波器

湘潭大学

集成电路课程设计题目：带通滤波器学院：材料与光电物理学院专 业： 微电子学 号： 2009700113姓 名： 闫少阳指导教师： 唐明华教授提交日期：2012年9月目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 1Abstract 2\o"CurrentDocument"1引言 3\o"CurrentDocument"2滤波器的分类 5\o"CurrentDocument"3级联实现带通滤波器原理 6\o"CurrentDocument"4压控电压源二阶有源带通滤波器设计、仿真和测试 7\o"CurrentDocument"4.1压控电压源二阶有源带通滤波器理论概述 7\o"CurrentDocument"4.2压控电压源二阶带通滤波器电路模型 7\o"CurrentDocument"4.3压控电压源二阶带通滤波器电路特点 8\o"CurrentDocument"4.4设计要求 8\o"CurrentDocument"4.5设计步骤 84.5.1元器件的选择与LM324介绍 8\o"CurrentDocument"4.5.2multisim仿真 144.6元器件的调整 16\o"CurrentDocument"4.7利用protel99SE进行电路板的制作 164.8电路板的测试 18\o"CurrentDocument"4.9小结 18\o"CurrentDocument"5结束语 19\o"CurrentDocument"参考文献 20致谢 21带通滤波器摘要：近年来，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛，使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全运行，必须对谐波污染进行治理，以改善电能质量。就当前的工业现实而言，抑制谐波的基本手段是装各类滤波补偿装置。无源滤波器的结构简单，经济性好，但易受电网阻抗和运行状态影响与系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器则可以解决这些问题，并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性，因而具有极高的发展前景。本文的主要内容有：压控电压源二阶有源带通滤波器理论，包括其数学模型和典型参数[1]介绍集成运放LM324的结构、弓I脚及性能参数；软件protel99SE⑵和multisim10的简要介绍；设计、仿真、制作一个二阶压控电压源滤波器，并对其进行测试⑶关键词：带通滤波器；中心频率；通频带带宽；multisim9；protel99SE；仿真Band-passFilterAbstract:Inrecentyears,variousbasedonpowerelectronictechnologyofnonlineardeviceinpowersystemareappliedwidely,makingtheincreasinglyseriousharmonicharm.Inordertoensurethesafeoperationofthepowersystemharmonicpollution,itisnecessarytoundertakeadministrative,inordertoimprovethequalityofpower.Ofthecurrentindustrialrealcharacter,restrainharmonicsofthebasicmeansispackedallkindsoffiltercompensationdevices.Passivefilterstructureissimple,economical,butvulnerablenetworkimpedanceandrunningstateaffectingandsysteminresonance,andonlycancompensatefixedfrequencyharmonics.Andactivefiltermaysolvetheseproblems,andcanbeusedtomonitorthechangesofharmoniccompensation,highlycontrolled,thushasthehighdevelopmentprospects.Themaincontentofthisarticleare:Thevoltagecontrolledvoltagesourcesecond-orderactiveband-passfilterstheory,includingitsmathematicalmodelandthetypicalparameters】1】；Introducethestructure,pinsandperformanceparametersofintegratedop-ampLM324;Softwareprotel99⑵andmultisimbriefintroduction;Design,makeasecondordervoltagecontrolledvoltagesourcefilter,andcarriesonthetest】3】；Keywords:band-passfilter;Centerfrequency;Bandpassbandwidth；multisim9；protel99SE；simulate1引言1.1滤波器作用测量和分析工程信号时，往往只需对特定频率或者特定频率范围的信号进行测量和分析，但在实际工程信号中，往往包含各种各样的干扰信号或者说是人们不感兴趣的信号。为了消除这些信号所产生的不良影响，人们最先想到的就是利用一个理想的带通滤波器，将这些干扰信号全部剔除。但理想带通滤波器仅在理论上存在，实际设计和应用的带通滤波器只能尽可能地逼近理想的带通滤波器。1.2软件protel99SE和multisim10的简要介绍Protel99SE概述：Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel99SE由两大部分组成：电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。其中AdvancedSchematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）［2。Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：♦可生成30多种格式的电气连接网络表♦强大的全局编辑功能♦在原理图中选择一级器件,PCB中同样的器件也将被选中♦同时运行原理图和PCB,在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络♦既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性♦满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出,GB4728国标库），方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）♦支持用CUPL语言和原理图设计PLD,生成标准的JED下载文件,PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层♦强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查♦智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺♦提供大量的工业化标准电路板做为设计模版♦放置汉字功能♦可以输入和输出DXF、DWG格式文件,实现和AutoCAD等软件的数据交换♦智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）♦方便的打印预览功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果♦独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果♦强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等♦经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法,信号完整性分析直接从PCB启动♦反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合♦专家导航帮您解决信号完整性问题multisim10概述：♦通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路♦通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为♦借助高级电路分析，理解基本设计特征♦通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试♦通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。2滤波器分类滤波器在电子电路中是一种对干扰信号或是无用的信号进行滤除的一种装置，包括电抗性元件L、C构成的无源滤波器、由集成运算放大器组成的有源滤波放大器，以及三极管滤波器等。滤波器分类：按滤波器的组成元件的不同可以分为无源滤波器和有源滤波器。按照滤波器的频率特性不同，滤波器通常可以分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。两类响应巴特沃斯响应（最平坦响应）巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。切贝雪夫响应在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。方案选择：带通滤波器设计有几种方案，方案一为低通滤波器和高通滤波器级联，运用两个运放，四阶滤波，对应的幅频响应为-40dB/十倍频；方案二为直接用一个运放实现带通，二阶滤波，对应的幅频响应为-20dB/十倍频。虽然方案一更精确，但这里由于元器件的限制，为方便起见，简要介绍下方案一的原理，实际操作按方案二进行。

3级联实现带通滤波器的原理带通滤波器是由高通RC环节和低通RC环节组成。要将高通的下限截止频率%设置小于低通的上限截止频率叫。设计如图：V.i低通滤波器V.i低通滤波器高通滤波器0阻带通带阻带3图1方案一带通滤波器原理在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是RC元件的组合，在分析时利用“拉普拉斯”变换将电流电压变成“像函数”同时引入运算阻抗代替无源元件RC，求解有源滤波器的传递函数。将信号从时域转变到频域，输入输出信号都可分解成若干频率信号。传递函数：=Ae=Ae-j^®

j®i它有幅频特性A.，相频特性甲妇）。对于有源滤波器利用运放实现放大作用，所j&以RC环节实现滤波功能。其中有n个RC滤波环节就为n阶滤波，运放使滤波器与负载隔离，增强了带负载的能力。

4压控电压源二阶有源带通滤波器设计、仿真和测试4.1压控电压源二阶有源带通滤波器理论概述带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量，但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLCcircuit)o这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。4.2压控电压源二阶带通滤波器电路模型通带带宽为:图2压控电压源带通滤波器模型其传输函数为:A-fSRC-^4 wQ1s+ rrc2通带带宽为:图2压控电压源带通滤波器模型其传输函数为:A-fSRC-^4 wQ1s+ rrc23S2+oS+s2Qo中心角频率为:s1(211(—o=一+—+——'QC；R3R1R2fJ中心频率处电压的放大倍数为:AuoA

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11%R2 fR3其中，R―5R44.3压控电压源二阶带通滤波器电路特点1） 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。2） 调节R、Rf,可调整增益，中心频率不变，带宽改变。4.4设计要求设计一个二阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率为1KHZ，品质因数为10，增益等于2。4.5设计步骤4.5.1元器件的选择与LM324介绍参参数K中心频率（a）

中心频率（b）图3参数图3参数K和频率的关系参数K根据上面参数K根据上面参数K与频率关系图和公式:100快其中，中心频率单位为HZ，电容单位为此选定C=22nF，则得到，K=4.55。根据设计表:表1电路元件值（Q=10）增益1246810R131.83115.9157.9585.3053.9793.183R21.1671.1661.1601.1481.1311.110R32.2512.3322.5022.6842.8763.078R4、R54.5024.6645.0045.3685.7526.156电阻为参数K=1时的值，单位为kQK=4.55时，R1=72.41kQ,R2=5.31kQ,R3=10.61kQ,R4=R5=21.22kQ。取R1=72kQ,R2=5.3kQ,R3=10.62kQ,R4=R5=21.3kQ。LM324四运算放大器★LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。特点★内部频率补偿★直流电压增益高(约100dB)★单位增益频带宽(约1MHz)★电源电压范围宽：单电源(3—32V)；双电源(±1.5—±16V)★低功耗电流，适合于电池供电★低输入偏流★低输入失调电压和失调电流★共模输入电压范围宽，包括接地★差模输入电压范围宽，等于电源电压范围★输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)仗通诳图5内部电路图

表2极限参数参数符号数值单位噌源电依Voc_侣或北V并劫输入电氐Vl(DIFF)±32V输入电压Vl-0.3—b32V输出对旭短路电流连续T作沮度范困'OPR0—+70TC虹存温度范围飞TG-€5—b150■c表3电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,TA=25°C）参数符号测试条件昴小值典型值最大值羊位输入失调电压VlOVcm=0V^Vco1.5VVo(Pi=1.4VrRs=Qfi2.97.0mV输入失调电流lio550nA输入俯首电流IBIAS45250nA输入共模电压苑围电源电流Vl(R)Vcc=30V0Vcol.5VIccRl=-;Vcc=30V0.02.0mARl=8企温度箔刖内0.51.2mA火信2电压增益GvVcc=15V:Rl^2KQVdi：Pj=1V—11V25100V/mV输T电厨买丽VO[H)Vcc=30V:Rl=.2KQ26VVcc=30V;Rl=WK^2728VO(L)Vcc=5V;Rl^10K^520mV八模抑制比CMRR65B0■dB电源电斥.抑制比PSRR65100dB通道隔离度CSf=1KHZ—20KHZ120dB对地短腾电疏Isc4060mA输出电流ISOURCEVi(<j=1V7Vii»=0VVcc=15VrVoiPi=2V1030mAISINKVi(*：i-DV:Vh：-)=1VVcc=15VrVoiPi=2V1015mAVi(4：i-0V;Vh：-)=1VVcc-15VrVo[Pi=200mV12100mA差模输入电压VliDIFF)VccV

表4电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,0°C<TA<7U）12WsK12WsK参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输入失调电压VlOVcm=0V至 .5VVo[Pi=1.4V7Rs-0Q9.0mV输入失调电鹿混漂AVlO/AT7.0iivrc.输入失调电流lio150nA输入失调电流混漂&岫尸10pA/TC输入偏咒电藐Ibias40500nA八模输入电压范围Vl(RjVcc=30VGVcc-2.0VH罚•电压增苍GvVcc=15V:Rl^2K^Vo(p：i=1V—11V15V/mV输出电辰强啪VO(H)Vcc=30V7Rl=2KQ26VVcc=30V:RL=1CKfi272BVO(L)Vcc=5V:Rl^ICKS520mV输出电流IsoURGEVi«i=1VrVi(-)=0VVcc=15V;Vo(Pi=2V1030mAISINKVi[4-j-0VrVi(-)=1VVcc=15V:Vo(Pi=2V59mA差模输入电压VliDIFFjVdcV图6管脚排列图UNUNT;mmDP-4-300-2.54III—IIII—IIII—II—IUNUNT;mmSOP-4-225-.274.5.2multisim仿真1）电路原理图",•■•■ UEC (tlJS2:林1沁 S1W；咎二二"二二"二二图8multisim仿真电路2）利用multisim10进行电路的仿真中心频率为1.006KHZ,中心频率处增益为5.957dB。图9multisim仿真波特图3dB截止频率为1.05KHZ和946.805HZ通带带宽为BW=1050-946.805=103.195HZ电路品质因数为Q=f0/BW=9.754.6元器件的调整鉴于元器件所需要的电阻并不齐全，对电阻值进行调整，以方便焊接电路板。R1=75K,R2=10K,R3=5.6K,R=22K,Rf=24K。（以Altiumdesigner画图为基准）4.7利用protel99SE进行电路板的制作1）电路原理图1GXDVet图10Altiumdesigner画图2)PCB布线OOOQOO0000000J2典aran-VOUTU□lir-^ab2旦君匚u图11Altiumdesigner画pcb图4.8电路板的测试1） 输入信号幅值为1Vpp时，输出电压与输入频率之间的对应关系的测量与处理2） 典型参数的测量与计算表5对应频率的输出电压频率/HZ100200300400500600650输出电压/Vpp0.0740.1550.1950.2800.3550.4600.540700750800850900950100010500.6500.7450.8351.0651.2201.5251.9902.925110011201140115011601180120012504.9505.8006.1006.0005.9605.2604.8403.620130013501400150016001700200030002.8102.2601.8601.4201.1400.7000.6750.3654000500010000200003000040005000100000.2400.1900.0920.0500.0350.2400.1900.092根据表格可知，中心频率为1140日2，中心频率处增益为6.100。测量得到，幅值为4.31Vpp（6.10*0.707=4.31）所对应的频率为1090HZ和1220HZ，所以，计算得到，通带带宽为BW=1220-1070=130HZ，品质因数Q=1140/130=8.77。3）测试结果与仿真结果进行比较分析元器件焊到电路板后，用万用表测得R1=75K,R2=10.6K,R3=5.7K,