仪器电子技术-第三章有源滤波器课件

1、仪器电子技术,2010,1,PPT学习交流,预习,第三章 有源滤波电路 滤波器参数 滤波器传递函数 滤波器逼近方法 滤波器设计方法 集成有源滤波器,2,PPT学习交流,第三章 有源滤波电路,第一节 基础知识 一、滤波器的用途 二、分类 三、参数 四、二阶滤波器传递函数 五、滤波器的逼近 第二节 RC有源滤波器电路 第三节 RC有源滤波器设计 第四节 开关电容滤波方法简介 第五节 集成有源滤波器简介 第六节 应用举例,3,PPT学习交流,第一节 基础知识一、滤波器概念与用途,具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。,4,PPT学习交流,测量信号 表面轮廓 形状

2、误差（准直流） 波度（低频） 表面粗糙度（中频） 噪声（高频）,5,PPT学习交流,二、分类,频率与功能特性： 低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波、全通滤波器 器件特点： 无源滤波器 RLC滤波器、晶体滤波器 、压电陶瓷、声表面波滤波器(SAW)、机械滤波器 有源滤波 RC有源滤波、开关电容滤波器(SCF) 信号形式： 模拟滤波器、数字滤波器 阶数： 1、2、3.N,6,PPT学习交流,三、参数,表示最大通带衰减,通带角频率,阻带最小衰减,阻带边缘角频率,截止频率,固有频率,7,PPT学习交流,1、特征频率： 通带截频fp=wp/(2)为通带与过渡带边界点的频率

3、，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。 阻带截频fr=wr/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。 转折频率fc=wc/(2)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。 固有频率f0=w0/(2)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 2、增益与衰耗 对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w时的增益；带通则指中心频率处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益d

4、B值的变化量。,三、参数,8,PPT学习交流,3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， w0为中心频率。 4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。 5

5、、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。,三、参数,9,PPT学习交流,理想幅频特性,10,PPT学习交流,四、二阶滤波器传递函数,二阶传输函数,低通,带通,高通,带阻,11,PPT学习交流,低通,12,PPT学习交流,高通,13,PPT学习交流,带通,14,PPT学习交流,带阻,15,PPT学习交流,五、滤波器逼近方法,近似方法: 1、巴特沃思近似 2、切比雪夫近似 3、贝塞尔近似,理想滤

6、波器要求幅频特性A(w)在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。,16,PPT学习交流,1、巴特沃思近似,幅频函数,传递函数,例 n = 1 s1= -1,n=1,2,.,n=2,归一化：,17,PPT学习交流,2、切比雪夫近似,0.5db波纹,n=1S+2.863 n=2S2+1.425S+1.516,1db波纹,n=1S+1.965 n=2S2+1.098S+1.103,18,PPT学习交流,3、贝塞尔近似,n=1S+1 n=2S2+3S+3,En()贝塞尔滤波多项式,19

7、,PPT学习交流,. 三种方法特点,巴特沃思： 通带内幅频曲线的幅度平坦，最平幅度逼近，相移与频率的关系不是很线性的，阶跃响应有过冲。,20,PPT学习交流,切比雪夫：下降最陡，但通带之间幅频曲线有波纹。 贝塞尔： 相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。,三种方法特点,21,PPT学习交流,第二节 RC有源滤波器电路,一、一阶RC有源低通滤波器 二、一阶RC有源高通滤波器 三、压控电压源型滤波电路 四、无限增益多路反馈型滤波电路 五、双二阶环滤波电路,22,PPT学习交流,一、一阶RC有源低通滤波器,I,T,23,PPT学习交流,二、一阶有源高通滤波器,传递

8、函数：,通带增益：,截止频率：,24,PPT学习交流,三、压控电压源型滤波电路,该电路压控增益Kf=1+R0/R ，传递函数为,25,PPT学习交流,1、低通滤波电路 滤波器参数为,26,PPT学习交流,2、高通滤波器,27,PPT学习交流,3、带通滤波器,28,PPT学习交流,4、带阻滤波器,特点： 调整方便 易自激 Q值较小,29,PPT学习交流,四、无限增益多路反馈型滤波电路,30,PPT学习交流,1、低通滤波电路,uo(t),31,PPT学习交流,2、高通滤波器,ui(t),32,PPT学习交流,3、带通滤波器,特点： 调整不太方便 稳定 对有源器件要求高 Q值较小,33,PPT学习交

9、流,1、低通与带通滤波电路,五、双二阶环滤波电路,34,PPT学习交流,2、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路,35,PPT学习交流,3、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路,特点： 调整方便 稳定 Q值较高,36,PPT学习交流,第三节 RC有源滤波器设计,方法： 公式法 图表法 快速设计 计算机辅助设计 类比法,37,PPT学习交流,公式法,确定传递函数 逼近函数选择 阶数确定 经验 根据通带增益、阻带衰减、通带截止频率、阻带截止频率、波纹特性确定 选择电路结构 选择有源器件（增益、带宽、噪声和输入输出电阻） 计算无源元件参数 R C不能太大、太小 C=100/F 阶数越大，要求R

10、C精确,38,PPT学习交流,归一化,将滤波器设计归结为截止频率为1的低通滤波器的设计 ,通过一定的规则把归一化低通滤波器变换成实用的滤波器(图表法),39,PPT学习交流,归一化快速设计,在给定的fc下，参考下表选择电容C1; 根据C1的实际值，按下式计算电阻换标系数K; K=100/fcC1 由表确定C2及归一化电阻值ri，再换算出Ri。,40,PPT学习交流,第四节 开关电容滤波方法简介,41,PPT学习交流,MAX280/LTC1062五阶零直流误差低通滤波器 单片集成通用有源滤波器MAX263/264 MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器 MAX291/MAX292

11、/MAX295/MAX296八阶低通开关电容滤波器 MAX293/MAX294/MAX297八阶低通椭圆型开关电容滤波器,第五节 集成有源滤波器简介,42,PPT学习交流,第五节 集成有源滤波器简介,1、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器MAX280,43,PPT学习交流,2、单片集成通用有源滤波器MAX263/264,44,PPT学习交流,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,特性,45,PPT学习交流,应用,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,46,PPT学习交流,A,B,D,C,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,47,P

12、PT学习交流,内部特性描述,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,48,PPT学习交流,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,49,PPT学习交流,典型电路与响应,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,50,PPT学习交流,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,51,PPT学习交流,带阻滤波器实现,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,52,PPT学习交流,滤波器设计算法,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,53,PPT学习交流,级联增益选择,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,54,PPT学习交流,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,55,PPT学习交流,滤波器设计软件,56,PPT学习交流,滤波器设计软件,57,PPT学习交流,机床轴心轨迹的滤波处理,4、滤波器应用举例,58,PPT学习交流,机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,59,PPT学习交流,超声主要应用：,医学超声检测,4、滤