有源濾波器的快速設(shè)計

1、 課程設(shè)計(論文)說明書題 目： 有源濾波器的快速設(shè)計 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 2011年12月28日摘 要使用FilterLab 軟件，可以簡化低通濾波器設(shè)計過程，減輕技術(shù)人員設(shè)計低通濾波器的工作量，是值得推廣的好方法。本次實驗設(shè)計的是巴特沃茲的4階低通濾波器，截止頻率為500Khz。關(guān)鍵詞：filterLab；巴特沃茲AbstractUse FilterLab software, can simplify the low-pass filter design process, reduce technical perso

2、nnel low-pass filter design Chopper workload, is worth the promotion of good method. The experimental design is the woz bart 4 order low-pass filter, cut-off frequency for 500 Khz.Key words: FilterLab; Butterworth目 錄引言31 濾波器設(shè)計原理31.1有源低通濾波電路基本概念及其現(xiàn)狀31.2濾波器的分類及其優(yōu)缺點31.3有源低通濾波電路的組成和實驗原理41.4有源低通濾波器的運放52

3、使用FilterLab 軟件設(shè)計低通濾波器63 總體設(shè)計73.1電路設(shè)計總思路73.2 仿真及幅頻特性測量83.3 軟件設(shè)計. 10 4 調(diào)試步驟及結(jié)果104.1 檢查連線104.2 通電檢測104.3 觀察調(diào)節(jié)104.4 分步調(diào)試104.5 實驗結(jié)果105 設(shè)計總結(jié)10謝辭11參考文獻12附錄13引言濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，常用于信號 處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運放和無源元件電阻和電容構(gòu)成。它的功能是允許從零到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他頻率的信號有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻干擾信號。但對于濾波

4、器設(shè)計的綜合技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的實際選擇和調(diào)試的困難，采用普通實驗設(shè)計方法不僅解決不了上述問題，還花費大量時間和設(shè)計成本，以至于設(shè)計出的產(chǎn)品價格昂貴，電路噪聲大等質(zhì)量問題也不盡人意。因此，對有源低通濾波器的設(shè)計新方法探討，仍有積極的實際意義。隨著集成運放的廣泛應(yīng)用,有源濾波器的應(yīng)用更為廣泛 ,因此有源濾波器性能的分析和電路設(shè)計就成為一個核心問題 ,本文采用了先進的FilterLab 軟件進行快速設(shè)計。1. 濾波器設(shè)計原理1.1 有源低通濾波電路基本概念及其現(xiàn)狀 濾波電路的作用就是允許某段頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止或削弱其他頻率范圍的信號。有源濾波電路由電阻、電容和集成運算放大器組成，又

5、稱為有源濾波器。有源濾波器能 夠在濾波的同時還能對信號起放大作用，這是無源濾波無法做到的。根據(jù)濾波電路通過或者 阻止信號頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通河帶阻電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設(shè)計與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過低頻信號，抑制或衰減高頻信號。1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的

6、主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。我國現(xiàn)有濾波器的種類和

7、所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國有源濾波器發(fā)展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國各類濾波器的應(yīng)用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機械濾波器占15%；陶瓷和聲表面濾波器各占1%；其余各類濾波器共占13%。從這些應(yīng)用比例來看，我國電子產(chǎn)品要想實現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個重要課題。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負有重大的歷史責任。1.2濾波器的分類及優(yōu)缺點 濾波器有各種不同的分類，一

8、般有如下幾種。（1）按處理信號類型分類，可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分類。實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。（2）按選擇物理量分類-按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3）按頻率通帶范圍分類-按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通

9、、帶阻、全通五個類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶。有源濾波自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產(chǎn)生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95以上，補償無功細致。缺點為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術(shù)還不成熟，所以當前常見的有源濾波容量不超過600千瓦。其運行可靠性也不及無源。 一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯(lián)低阻（調(diào)諧濾波）狀態(tài),給某次諧波電流構(gòu)成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會

10、流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術(shù)相對成熟，容量大。缺點為諧波濾除率一般只有80，對基波的無功補償也是一定的。目前在容量大且要求補償細致的地方一般使用有源加無源混合型，即無源進行大容量的濾波補償，有源進行微調(diào)。1.3 有源低通濾波電路的組成和實驗原理二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個RC 環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成，電路如圖所示。 圖1 有源低通濾波二階電路其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)： 其傳遞函數(shù)： 其中： Wo=1/RC 截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 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。圖2 不同Q值的有源低通

11、濾波電路的幅頻特性曲線通過分析可知：當信號頻率大于截止頻率時信號的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號可以得到一定 提升。如果Q =0.707 時，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q 0.707 時,幅頻特性將出現(xiàn)峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設(shè)計電路圖參數(shù)。1.4有源低通濾波器的運放運算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結(jié)構(gòu)不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差

12、動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅(qū)動負載的能力）。運算放大器的性能指標包括5個，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動

13、放大電路。CMRR越大越好。）實際是有要求的。首先運放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對電路中的實際電阻產(chǎn)生過大的影響 。其次運放的開環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設(shè)計有源二階低通濾波器時，不考慮。但在仿真時，不同的運放對濾波器的指標還是有影響的。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?？捎迷谛畔⑻幚?、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)四種濾波器

14、，它們的幅頻特性如圖2-1所示。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實現(xiàn)，只能用實際的幅頻特性逼近。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。（a）低通 （b）高通(c) 帶通 （d）帶阻圖3四種濾波電路的幅頻特性示意圖2. 使用FilterLab 軟件設(shè)計低通濾波器FilterLab 軟件是Microchip 公司專為單片機應(yīng)用而開發(fā)的低通濾波器計算機輔助設(shè)計軟件，資源開放又簡單易學(xué)。例如設(shè)計一個Butterworth 低通濾波

15、器，通帶頻率為3 Hz，衰減30 dB/十倍頻程，Sallen Key 類型的電路，在3 Hz 只有0.1 dB的衰減。第1 步：啟動FilterLab 軟件，選擇Filter/Design 菜單，然后在屏幕彈出的窗口中選擇Filter Specification 頁面，選擇Butterworth 和Lowpass。第2 步：選擇Filter Paramenters 頁面設(shè)置窗口中濾波器參數(shù)。通帶衰減：設(shè)置范圍為0.01 dB3 dB阻帶衰減：設(shè)置范圍為10 dB100 dB通帶頻率：設(shè)置范圍為0.1 Hz1 000 000 Hz阻帶頻率設(shè)置：衰減某dB 值時的頻率值。第3 步：在Circui

16、t 頁面選擇電路形式。在該頁面可以選擇Sallen Key 電路形式或是MPB 電路形式；另外，用鼠標點擊右側(cè)電路的電容，可以決定電容值是自動生成還是人工選擇。還可以選擇電路中的電阻值是采用1誤差的標準電阻，還是采用精確阻值的電阻。設(shè)置完成后，單擊確定，就可以查看頻率特性、電路。第4 步：查看頻率特性。進入Frequency頁面，可以觀察所設(shè)計濾波器的幅頻和相頻特性。第5 步：查看電路參數(shù)。進入Circuit頁面,可以看到電路與電路參數(shù)。可以看出，F(xiàn)ilterLab 有源濾波器軟件提供了完全的濾波電路原理圖與元件值，可以顯示出頻率響應(yīng)并計算出各元件的數(shù)值。從而大大地減少了設(shè)計有源濾波器的工作。

17、3. 總體設(shè)計3.1 電路設(shè)計總體思路圖4原件設(shè)計表格圖本次課程設(shè)計我設(shè)計的截止頻率為10Khz，取AV=2，由圖4可知，C=0.01uf，代入公式： K=100/(fc*C) （24）注釋：C以uf作為單位，fc以hz為單位。K值不能太大，否則會使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常選擇1 K10。得K=1，符合要求。代入圖4得：R1=1126歐姆，R2=2250歐姆，R3=6752歐姆，R4=6752歐姆；3.2 仿真及幅頻特性測量通過multisim仿真軟件對上述電路進一步修正，修正的結(jié)果為圖5：圖5 仿真設(shè)計圖其頻域仿真結(jié)果為圖6：圖6 multisim仿真得到的頻域圖上圖所示，

18、仿真出來的效果基本達到設(shè)計要求。但是仍有微小誤差，誤差原因可能是電阻值由于外界環(huán)境因素存在波動，仿真軟件精度不夠等原因。3.3 軟件設(shè)計圖7 FilterLab設(shè)計圖4. 調(diào)試步驟及結(jié)果4.1 檢查連線 用電筆檢查各處連線是否正常導(dǎo)通。4.2 通電檢測 接上9V直流電源，進行實驗。4.3 觀察調(diào)節(jié) 各電路接通，再未接輸入時，所以LED是不亮的。4.4 分步調(diào)試 開始輸入不同的電壓，觀察LED的亮滅是否符合標準。4.5 實驗結(jié)果 經(jīng)過調(diào)試，所有指標均已符合，實驗成功。5. 設(shè)計總結(jié)本次實驗最大的收獲是如何尋找技術(shù)資料，由于沒有找對資料，第一次設(shè)計并制作的電路板并沒能實現(xiàn)預(yù)期的功能。在同學(xué)的幫助下

19、，我看到了英文版的PDF，并成功設(shè)計制作了電路板。可見事先的準備工作是多么的重要。謝 辭 感謝在整個課程設(shè)計過程中幫助過我的每一位人。首先，也是最主要感謝的是我的指導(dǎo)老師，田克純教授。在整個過程中他給了我很大的幫助，老師非常的平易近人，并很好地啟發(fā)我們，引導(dǎo)我們?nèi)ソ鉀Q問題。其次，要感謝幫我查資料提出意見的每一位同學(xué)，他們在我制版到板的調(diào)試過程中不斷地給我提出意見，并提供方案給我參考，使我順利完成這次課程設(shè)計。參考文獻1 馬淑華.模擬電路設(shè)計與運用.北京郵電大學(xué)出版社.20032 Sanjit.Mitra.Digital Signal Processing A Computer-Based Ap

20、proach，Third EditionM.北京：電子工業(yè)出版社，2009. 3 王衛(wèi)東.高頻電子電路.電子工業(yè)出版社.20094 蔣卓勤、鄧玉元.Multisim及其在電子設(shè)計中的應(yīng)用 西安電子科技大學(xué)出版社.20035 趙景波、向華. Protel 99 SE基礎(chǔ)教程 人民郵電出版.2009附 錄原理圖圖8 原理圖仿真圖圖9 仿真電路圖tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA