無源濾波器設(shè)計

1、長 沙 學(xué) 院 模電課程設(shè)計說明書題目系(部)電子與通信工程系專業(yè)(班級) 姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 起止日期 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書(11)系（部）：電子與通信工程系 專業(yè)：電子信息工程 課題名稱無源濾波器設(shè)計設(shè)計內(nèi)容及要求1. 技術(shù)參數(shù)1) 了解4種無源濾波器的功能，熟悉無源濾波器的構(gòu)造。2) 根據(jù)測試數(shù)據(jù)，簡要說明電路的工作原理及本電路能達到的實用功能；3) 采用Multisim軟件完成4種濾波器電路設(shè)計，要求仿真通過：a).低通濾波器 b).高通濾波器 c).帶通濾波器 d).帶阻濾波器2. 設(shè)計要求(1)求出所設(shè)計濾波器各參數(shù)：低通濾波器、高通濾波器：截止頻率。帶通濾波器、帶阻濾波器

2、：中心頻率、帶寬、品質(zhì)因素。(2)計算并選擇電路元件及參數(shù)；(3)仿真調(diào)試電路；(4)撰寫設(shè)計報告及使用說明書。設(shè)計工作量1、系統(tǒng)整體設(shè)計；2、系統(tǒng)設(shè)計及仿真；3、在Multisim或同類型電路設(shè)計軟件中進行仿真并進行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計說明書，包括設(shè)計原理、仿真分析、調(diào)試過程，參考文獻、設(shè)計總結(jié)等。進度安排起止日期（或時間量）設(shè)計內(nèi)容（或預(yù)期目標）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計方案論證第三天進行具體設(shè)計第四天進行具體設(shè)計第五天編寫設(shè)計說明書教研室意見年 月 日系（部）主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月 日長沙學(xué)院課程設(shè)計鑒定表姓名李治兵學(xué)號2011026115專業(yè)電子信息工程班級1

3、班設(shè)計題目無源濾波器設(shè)計指導(dǎo)教師龍英指導(dǎo)教師意見：評定等級： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類；目 錄一無源濾波器的簡介51.無源濾波器定義52.無源濾波器的優(yōu)點53.濾波器的分類54.無源濾波器的發(fā)展歷程5二無源濾波器的工作原理與電路與電路分析61.工作原理62.電路分析7三設(shè)計思路及電路仿真111.無源低通濾波器112.無源高通濾波器113.無源帶通濾波器124.無源帶阻濾波器13四設(shè)計心得與體會15五參考文獻15一無源濾波器

4、的簡介1.無源濾波器定義無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。2.無源濾波器的優(yōu)點無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動諧波治理方法。3.濾波器的分類 按所處理的信號按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。 按所通過信號的頻段按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，

5、抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。 按照階數(shù)來分通過傳遞函數(shù)的階數(shù)來確定濾波器的分類。4.無源濾波器的發(fā)展歷程（1）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)。 （2）20世紀50年代無源濾波器日趨成熟。 （3）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

6、積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。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； （4）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。 （5）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。 （6）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(dāng)然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。二無源濾波器的工作原理與電路與電路分析1.工作原理濾波器是一種選擇裝置，它對輸入信號進行加工和處理，從中選出某些特定的信號作為輸出。電濾波器的任務(wù)是對輸入信號進行選頻加權(quán)傳輸。電濾波器是Campbel

7、l和wagner在第一次世界大戰(zhàn)期間各自獨立發(fā)明的，當(dāng)時直接應(yīng)用于長途載波電話等通信系統(tǒng)。電濾波器主要由無源元件R、L、C構(gòu)成，稱為無源濾波器。濾波器的輸出與輸入關(guān)系通常用電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)H(S)來描述，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)又稱為電壓增益函數(shù)，它的定義如下 （1）式中UO(S)、Ui(S)分別為輸出、輸入電壓的拉氏變換。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，S=j，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成 （2）式中表示輸出與輸入的幅值比，稱為幅值函數(shù)或增益函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性；F()表示輸出與輸入的相位差，稱為相位函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為相頻特性。幅頻特性與相頻特性統(tǒng)稱濾波器的頻率響應(yīng)。濾波器的幅頻特性很容易用實驗方法測定。本實驗僅

8、研究一些基本的二階濾波電路。濾波器按幅頻特性的不同，可分為低通、高通、帶通和帶阻和全通濾波電路等幾種，圖附錄11給出了低通、高通、帶通和帶阻濾波電的典型幅頻特性。低通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(a)所示，圖中|H(jC)|為增益的幅值，K為增益常數(shù)。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止頻率C的低頻信號，而對大于C的所有頻率則衰減，因此其帶寬B=C。高通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(b)所示。由圖可以看到，在0C范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于的頻率為通帶。帶通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(c)所示。圖中Cl為下截止頻率，Ch為上截止頻率，0為中心頻率。由圖可知，它有兩個阻帶：0Ch，因此帶寬B=Ch-C

9、l。帶阻濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(d)所示。由圖可知，它有兩個通帶：0Ch和一個阻帶ClCh也是有限的。(a)低通濾波電路 (b)高通濾波電路(c)帶通濾波電路 (d)帶阻濾波電路圖1 各種濾波電路的幅頻響應(yīng)二階基本節(jié)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)分別為： 低通 高通 帶通 帶阻式中K、p、z和p分別稱為增益常數(shù)、極點頻率、零點頻率和極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可分別寫成： 低通 高通 帶通 帶阻2.電路分析(1)無源低通濾波器如圖2所示。圖2 無源低通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成： （3）幅值函數(shù)為： （4）截止角頻率，截止頻率。（2）無源高通濾波器如圖3

10、所示。圖3 無源高通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成： （5）幅值函數(shù)為： （6）截止角頻率c=,截止頻率=。（3）無源帶通濾波器如圖4所示。 圖4 無源帶通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成： （7）幅值函數(shù)為： （8）當(dāng)時，稱為帶通濾波器的中心頻率，即 （9）截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時所對應(yīng)的頻率。由H(j)的表達式可得 （10）對上式求解得 （11） （12），分別稱為上截止頻率和下截止頻率。通頻帶寬度B為 （13）品質(zhì)因數(shù)Q為 （14）可見二階帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q等于極偶品質(zhì)因數(shù)Qp。Q是衡量帶通濾波器的頻率選擇能力的一個重要指標。（4）無源帶阻濾波器如圖5

11、所示。 圖5 無源帶阻濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成： （15）幅值函數(shù)為： （16）當(dāng)時，稱為帶阻濾波器的中心頻率，即 （17）截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時所對應(yīng)的頻率。由H(j)的表達式可得 （18）對上式求解得 （19） （20），分別稱為上截止頻率和下截止頻率。阻頻帶寬度B為 （21）品質(zhì)因數(shù)Q為 （22）三設(shè)計思路及電路仿真1.無源低通濾波器（1）先選定無源低通濾波器的截止頻率=2kHz。（2）再取兩個電阻R1=R2=R=1K。（3）根據(jù)無源低通濾波器截止頻率計算公式=得C29.8nf,則取C1=C2=30nf。 (4) 根據(jù)以上參數(shù)，按圖6電路進行仿真。圖6 無

12、源低通濾波器電路圖圖7 無源低通濾波器仿真圖從圖中可以看出截止頻率=1.994kHz,則此濾波器能夠濾掉超過1.994kHz的波。2.無源高通濾波器（1）先選定無源高通濾波器的截止頻率=20kHz。（2）再選取兩個電阻R1=R2=R=1K。（3）根據(jù)無源高通濾波器截止頻率計算公式=得C21.3nf,則取C1=C2=22nf。(4) 根據(jù)以上參數(shù)，按圖8電路進行仿真。圖8 無源高通濾波器電路圖圖9 無源高通濾波器仿真圖從圖中可以看出截止頻率=19.891kHz,則此濾波器能濾掉低于19.891kHz的波。3.無源帶通濾波器（1）先選定無源帶通濾波器的中心頻率=1.5kHz。（2）再選取兩個電阻R

13、1=100,R2=1K,C1=1uf。（3）根據(jù)無源高通濾波器中心頻率計算公式=得C20.11uf,取C2=0.1nf。(4) 根據(jù)以上參數(shù)，按圖10電路進行仿真。圖10 無源帶通濾波器電路圖圖11 無源帶通濾波器仿真圖1圖12 無源帶通濾波器仿真圖2圖13 無源帶通濾波器仿真圖3從圖中可以看出中心頻率=1.517kHz，通帶寬度BW=18.546kHz，品質(zhì)因素Q=/BW=0.08。則此濾波器能濾掉頻率超出133.618Hz18.68kHz范圍之外的波。4.無源帶阻濾波器（1）先選定無源帶阻濾波器的中心頻率=5kHz。（2）再選取兩個電阻R1=R2=R3=R=1K。（3）根無源高通濾波器中心

14、頻率計算公式=得C1=C2=C3=C31.8nf.則取C1=C2=C3=30nf。(4) 根據(jù)以上參數(shù)，按圖14電路進行仿真。圖14 無源帶阻濾波器電路圖圖15 無源帶阻濾波器仿真圖1圖16 無源帶阻濾波器仿真圖2圖17 無源帶阻濾波器仿真圖3從圖中可以看出中心頻率=5.347kHz，通帶寬度BW=19.35kHz，品質(zhì)因素Q=/BW=0.28。則此濾波器能濾掉頻率范圍在1.251kHz20.601kHz內(nèi)的波。四設(shè)計心得與體會這次課程設(shè)計的課題是無源濾波器的設(shè)計，包括低通濾波器、高通濾波器 、帶通濾波器 、帶阻濾波器，在設(shè)計過程中，遇到過很多困惑，通過上網(wǎng)、圖書館查資料、咨詢老師等途徑等途徑

15、解決了不少困惑。 掌握了更多有關(guān)濾波器的知識。同時，在這次課程設(shè)計中也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。好多理論知識都還未掌握透徹，不能完全地把學(xué)到的正確的用在實踐中。另外，通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計課程過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的課程設(shè)計結(jié)束了，但是從中學(xué)到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在

16、以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。設(shè)計過程，好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意的事，但畢竟這是第一次做，難免會遇到各種各樣的問題。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。我們通過查閱大量有關(guān)資料，并請叫同學(xué)老師，交流經(jīng)驗和自學(xué)，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。通過這次課程設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。我認為，在這學(xué)期的課程設(shè)計中，在收獲知識的同時，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過程中，我們通過查找大量資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了