有源濾波器的設計

1、有源濾波器的設計有 源 濾 波 器姓名：XXX班級：XXX 學號：XXX目錄一、基本介紹二、工作原理三、有源濾波器的功能作用四、有源濾波器分類五、有源低通濾波器的設計六、總結(jié)基本介紹濾波器是一種能使有用信號通過而大幅抑制無用信號的電子裝置。在電子電路中常用來進行信號處理、 數(shù)據(jù)傳輸和抑制噪聲等。在運算放大器廣泛 應用以前濾波電路主要采用無源電子元件一電阻、電容、電感連接而成，由 于電感體積大而且笨重導致整個濾波器功能模塊體積大而且笨重。本文介紹由集成運算放大器、電阻和電容設計有源濾波器，著重講解低通、高通、帶 通濾波電路。工作原理有源濾波器工作原理是：用電流互感器采集直流線路上的電流，經(jīng)A/D

2、采樣，將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作 為PW啲調(diào)制信號，與三角波相比，從而得到開關信號，用此開關信號去控 制IGBT單相橋，根據(jù)PWM技術的原理，將上下橋臂的開關信號反接，就可 得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵 消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量 反饋回來，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差。三、有源濾波器的具體功能及作用1、濾除電流諧波可以高效的濾除負荷電流中225次的各次諧波，從而使得配電網(wǎng)清潔 高效，滿足國標對配電網(wǎng)諧波的要求。該產(chǎn)品真正做到自適應跟蹤補償，可以 自動識別負荷整體變化及負荷諧

3、波含量的變化而迅速跟蹤補償，80us響應負荷變化，20ms實現(xiàn)完全跟蹤補償。2、改善系統(tǒng)不平衡狀況可完全消除因諧波引起的系統(tǒng)不平衡，在設備容量許可的情況下，可 根據(jù)用戶設定補償系統(tǒng)基波負序和零序不平衡分量并適度補償無功功率。在確 保濾除諧波功能的基礎上有效改善系統(tǒng)不平衡狀況。3、抑制電網(wǎng)諧振不會與電網(wǎng)發(fā)生諧振，而且在其容量許可范圍內(nèi)還可以有效抑制電網(wǎng) 自身的諧振。這是無源濾波裝置無法做到的。4、多種保護功能具備過流、過壓、欠壓、溫度過高、測量電路故障、雷擊等多種保護 功能，以確保裝置和電力系統(tǒng)安全運行，并可在負荷較輕時自動退出運行，充 分考慮運行的經(jīng)濟性。四、有源濾波器的設計1. 二階低通有源

4、濾波器（1）基本原理常用的二階低通有源濾波器如圖所示。由于C接到集成運放的輸出端，形成正反饋，使電壓放大倍數(shù)在一定程度上受輸出電壓控制，且輸出電壓近似為 恒壓源，所以又稱之為二階壓控電壓源低通濾波器。當C1=C2=C時，稱fo為電路的特征頻率。通常，調(diào)試該電路，使其通帶截止頻率與一階低通濾波器的相同， 即 f p=f 0。如圖所示電路中，雖然由C引入了正反饋，但是，若ff p，則由于Ci的容抗很大，反饋信號很弱，因而對電壓放大倍數(shù)的影響很?。蝗鬴vvfp,則由于C2的容抗很小，集成運放同相輸入端的信號很小，輸出電壓必然很小，反饋作用 也很弱，因而對電壓放大倍數(shù)的影響也很小。所以，只要參數(shù)選擇合

5、適，就可 以使f=f p附近的電壓放大倍數(shù)因正反饋而得到提到，從而使電路更接近于理想 低通濾波器。二階低通有源濾波器主要性能如下： 通帶電壓放大倍數(shù)二階LPF的通帶電壓放大倍數(shù)就是頻率f=0時的輸出電壓與輸入電壓之比， 因此也就是同相比例放大器的增益：Aup=1Rf傳遞函數(shù)A _ U。Ajpu2Ui 1 (3-Ap)j RC (j RC)2A(s)如21 十(3-代p)sRC+(sRC)2其中j 品質(zhì)因數(shù)Q13 - Aup幅頻特性電路的幅頻特性曲線如圖所示，不同 Q值將使幅頻特性具有不同的特點單端正反饋型低通濾波器幅頻特性(2)設計方法下面介紹設計二階低通有源濾波器時選用RC的方法。已知 R=

6、R=R Ci=C=C,貝Uf 丄02 二 RC其中，由上式得知，fo、Q可分別由R、C值和運放增益的變化來單獨調(diào)整， 相互影響不大。若已知 Q值，貝U由式4-8-4得通帶電壓放大倍數(shù) Ap,近而由上 式可推導出R和R。由此該設計方法對要求特性保持一定 fo而在較寬范圍內(nèi)變化的情況比較適 用，但必須使用精度和穩(wěn)定性均較高的元件。2. 二階高通有源濾波器(1)基本原理二階高通濾波器和二階低通濾波器幾乎具有完全的對偶性，即將二階低通 有源濾波器電路中的R和C的位置互換，就構成了典型的單端正反饋二階高通 濾波器，如圖所示。二者的參數(shù)表達式與性能也有對偶性。當Ri=R2=R C=C=C時，其主要性能如下

7、：J?單端正反饋型高通濾波器 通帶電壓放大倍數(shù)upRfRf 傳遞函數(shù)丄_U1 (3-Ap)j RC (j RC)2A(s)二(sRC)21 (3-代p)sRC (sRC)2 品質(zhì)因數(shù) 幅頻特性電路的幅頻特性曲線如圖所示，不同Q值將使幅頻特性具有不同的特點(2)設計方法二階高通有源濾波器中R、C參數(shù)的設計方法也與低通濾波器相似，詳見低 通濾波器設計方法。3. 二階帶通有源濾波器帶通濾波器(BPF能通過規(guī)定范圍的頻率，這個頻率范圍就是電路的帶寬 Bvy濾波器的最大輸出電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率fo的頻率點上。帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì) Q越高。只要將二階低通濾波器中的一階 RC

8、電路改為高通的接法，就構成了二階帶 通濾波器。如圖所示電路就是典型的單端正反饋型二階帶通濾波器。當Ri=R=RG=C2=C時，其主要性能如下：二階帶通濾波器 傳遞函數(shù)jcoRC2v (3_Aup)j RC (j RC)A(s) =SRCA1(3-Ap)sRC (sRC)2 up其中Aup=1圧為同相比例放大電路的電壓放大倍數(shù) 中心頻率和通帶放大倍數(shù)2RC 通帶截止頻率和通帶寬度fpi = 2（3 - Aup）24 _ （3一 Aup）fp2 f（3 一 Aup）24 （3一 Aup）BW 二 fp2- fpi =（3 -Aup） f= （2）fo 品質(zhì)因數(shù) 幅頻特性電路的幅頻特性曲線如圖4-8

9、-9所示，不同Q值將使幅頻特性具有不同的特點。Q值越大，通帶寬度越窄，選擇性也越好。二階帶通濾波器幅頻特性f/f3.二階帶阻有源濾波器如圖示電路就是典型的單端正反饋型二階帶阻濾波器。當R=R2=R g=g=c時，其主要性能如下:傳遞函數(shù)二階帶阻濾波器UoUi1+jRC)2A1 2(2-代p)j RC (j RC)2 AJPA(s)二1+(sRC)21 2(2-Ap)sRC (sRC)2 中心頻率和通帶放大倍數(shù)12RC 通帶截止頻率和通帶寬度fpi =半(3-Aup)2 4-(3-仏) fp2 二予：.(3-仏)2 4 (3-代卩)BW 二 fp2 十=（3-仏）怙=（2 -字）f。Rf 品質(zhì)因

10、數(shù)2(2 -仏) 幅頻特性電路的幅頻特性曲線如圖所示，不同Q值將使幅頻特性具有不同的特點二階帶阻濾波器幅頻特性五、設計實例有源低通濾波器的設計原理圖設計低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號如圖a所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級 RC濾波環(huán)節(jié)與同相 比例運算電路組成，其中第一級電容 C接至輸出端，弓I入適量的正反饋，以改 善幅頻特性。圖（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為 RC有源濾波器，其功能是讓一 定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號，因受運算 放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍

11、，根據(jù)頻率范圍可將其分為低 通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特 性的濾波器是很難實現(xiàn)的，只能用實際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是 巴特沃斯最大啊平坦響應和切比雪夫等波動響應。在不許帶內(nèi)有波動時，用巴 特沃斯響應較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，則切比雪夫響應較好。1.濾波器的傳輸函數(shù)二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)低通地一一電壓增益Q c叫一一低通濾波器的截止角頻率2.單元電路性能參數(shù)低通濾波器階低通濾波器的通帶增益截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率：二7品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。元件參數(shù)的計算

12、二階低通濾波器二階低通濾波器性能參數(shù)表達式為2s c=1 / (CGRR) Q=0.707s c/Q=1/RiC+1/R2C+(1+A/)/R 2Av=1+F4/R3工作原理濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時抑制無用成分的電路。 濾波電路種類很多，由集成運算放大器、電容和電阻可構成有源濾波器。 有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負載能力。 由于受到集成運算放大器特性的限制， 有源濾波器主要用于低頻場合。有 源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號能 通過而高頻信號不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相 反，帶通濾波電路是指某一段的信號能通過而該頻段之外的信號不能通過 的電路