有源濾波器設計說明

1、WORD.21/24WORD.XXX畢業(yè)設計報告有源濾波器設計學生杜超超所 在 系電子信息工程系班 級五電0701班專 業(yè)應用電子技術指導教師XXX2011年10月20日摘 要 本設計利用模擬電路和數(shù)字電路相關知識，根據(jù)設定中心頻率，采用開環(huán)增益80dB以上的集成運算放大器，設計二階低通、高通、帶阻、帶通濾波器。利用Multisim7仿真出各種濾波電路的波形和測量幅頻特性。通過仿真和成品調試表明設計的有源濾波器可以達到設計要求。主要設計容：1確定有源濾波器的中心頻率；2設計低通、高通、帶阻、帶通濾波器；3測量設計的有源濾波器的幅頻特性；4制作與調試關鍵詞：低通、高通、帶阻、帶通濾波器目錄 TO

2、C o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc215889008第1章概 論 PAGEREF _Toc215889008 h 1HYPERLINK l _Toc2158890091.1 選題依據(jù) PAGEREF _Toc215889009 h 1HYPERLINK l _Toc2158890101.2 有源濾波器的發(fā)展概況與現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc215889010 h 1HYPERLINK l _Toc2158890111.3有源濾波器與無源濾波器的優(yōu)缺點 PAGEREF _Toc215889011 h 2HYPERLINK l _Toc2158890121.4濾波器的分

3、類 PAGEREF _Toc215889012 h 2HYPERLINK l _Toc2158890131.5 設計的主要容 PAGEREF _Toc215889013 h 2HYPERLINK l _Toc215889014第2章 有源濾波器的作用與結構 PAGEREF _Toc215889014 h 3HYPERLINK l _Toc2158890152.1 濾波器的基本概念 PAGEREF _Toc215889015 h 3HYPERLINK l _Toc2158890162.2 各種濾波器的作用和結構 PAGEREF _Toc215889016 h 4HYPERLINK l _Toc2

4、158890172.2.1低通濾波器(LPF) PAGEREF _Toc215889017 h 4HYPERLINK l _Toc2158890182.2.2高通濾波器（HPF） PAGEREF _Toc215889018 h 5HYPERLINK l _Toc2158890192.2.3 帶通濾波器（BPF） PAGEREF _Toc215889019 h 5HYPERLINK l _Toc2158890202.2.4 帶阻濾波器（BEF） PAGEREF _Toc215889020 h 6HYPERLINK l _Toc215889021第3章 有源濾波器設計 PAGEREF _Toc21

5、5889021 h 8HYPERLINK l _Toc2158890223.1低通濾波器設計 PAGEREF _Toc215889022 h 8HYPERLINK l _Toc2158890233.1.1參數(shù)的計算 PAGEREF _Toc215889023 h 8HYPERLINK l _Toc2158890243.1.2 仿真與幅頻特性測量 PAGEREF _Toc215889024 h 8HYPERLINK l _Toc2158890253.2 高通濾波器的設計 PAGEREF _Toc215889025 h 9HYPERLINK l _Toc2158890263.2.1參數(shù)的計算 PA

6、GEREF _Toc215889026 h 9HYPERLINK l _Toc2158890273.2.2仿真與幅頻特性測量 PAGEREF _Toc215889027 h 10HYPERLINK l _Toc2158890283.3帶通濾波器的設計 PAGEREF _Toc215889028 h 10HYPERLINK l _Toc2158890293.3.1 參數(shù)的計算 PAGEREF _Toc215889029 h 10HYPERLINK l _Toc2158890303.3.2 仿真與幅頻特性測量 PAGEREF _Toc215889030 h 11HYPERLINK l _Toc21

7、58890313.4 帶阻濾波器的設計 PAGEREF _Toc215889031 h 12HYPERLINK l _Toc2158890323.4.1參數(shù)的計算 PAGEREF _Toc215889032 h 12HYPERLINK l _Toc2158890333.4.2仿真與幅頻特性測量 PAGEREF _Toc215889033 h 13HYPERLINK l _Toc215889034第四章 制作與調試 PAGEREF _Toc215889034 h 15HYPERLINK l _Toc2158890354.1制作 PAGEREF _Toc215889035 h 15HYPERLIN

8、K l _Toc2158890364.2調試 PAGEREF _Toc215889036 h 15HYPERLINK l _Toc2158890374.2.1低通濾波器調試 PAGEREF _Toc215889037 h 15HYPERLINK l _Toc2158890384.2.2高通濾波器調試 PAGEREF _Toc215889038 h 15HYPERLINK l _Toc2158890394.2.3帶通濾波器調試 PAGEREF _Toc215889039 h 16HYPERLINK l _Toc2158890404.2.4帶阻濾波器的調試 PAGEREF _Toc21588904

9、0 h 16HYPERLINK l _Toc215889041第5章 總 結 PAGEREF _Toc215889041 h 17HYPERLINK l _Toc215889042致 PAGEREF _Toc215889042 h 18HYPERLINK l _Toc215889043參考文獻 PAGEREF _Toc215889043 h 19HYPERLINK l _Toc215889044附 錄 PAGEREF _Toc215889044 h 20第1章 概 論1.1 選題依據(jù)根據(jù)所學的專業(yè)和自己的愛好，采用數(shù)電、模電知識來完成有源濾波器的設計。在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用

10、極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術最為復雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。1.2 有源濾波器的發(fā)展概況與現(xiàn)狀1917年美國和德國科學家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導致了美國第一個多路復用系統(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、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年代以后的主攻方向。導致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年

11、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用圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應用于各類產(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，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用與國際發(fā)展有一段距離。我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設備。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)

12、和應用。從下面的生產(chǎn)應用比例可以看出我國各類濾波器的應用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機械濾波器占15%；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。1.3有源濾波器與無源濾波器的優(yōu)缺點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

13、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。其運行可靠性也不與無源。 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（調諧濾波）狀態(tài),給某次諧波電流構成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術相對成熟，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

14、償，有源進行微調。1.4濾波器的分類濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。（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

15、帶圍分類按頻率通帶圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、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。1.5 設計的主要任務本次設計主要利用RC串并聯(lián)來組成各種頻率的濾波電路，必須實現(xiàn)低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波四項功能；要求選用放大增益大于80dB以上的集成運放；通頻帶自定義；電路實現(xiàn)后測量出各個濾波電路的頻率特性。第2章 有源濾波器的作用與結構2.1 濾波器的基本概念由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圍的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率圍以外的信號?？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

16、帶限制，這類濾波器主要用于低頻圍。根據(jù)對頻率圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)四種濾波器，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)絡的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調試越困難。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21四種濾波電路的幅頻特性示意圖2.2 各種濾波器的作用和結構2.2.1低通濾波器(LPF)1. 低通濾波器

17、特性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22（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，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖22（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。(a)電路圖(b)頻率特性圖22 二階低通濾波器2電路性能參數(shù)二階低通濾波器的通帶增益: (2-1)截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率:(2-2)品質因數(shù)Q,的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀:(2-3)當時，Q1，在處的電壓增益將大于，幅頻特性在處將抬高如圖2-2所示。當3時，Q=，有源濾波器自激。由于將接到輸出端，等于在

18、高頻端給LPF加了一點正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。2.2.2高通濾波器（HPF） 與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。只要將圖22低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖23(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應和低通濾波器是“鏡象”關系，仿照LPH分析方法，不難求得HPF的幅頻特性。(a) 電路圖 (b) 幅頻特性圖23 二階高通濾波器 當時，幅頻特性曲線的斜率為+40 dB/dec；當3時，電路自激。電路性能參數(shù)、各量的函義同二階低通濾波器。圖23（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲

19、線，它與二階低通濾波器的幅頻特性曲線有“鏡像”關系。2.2.3 帶通濾波器（BPF）1.帶通濾波器特性帶通濾波器只允許在某一個通頻帶圍的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成。如圖24所示。(a) 帶通濾波器原理框圖（b）電路圖 (c)幅頻特性圖2-4 二階帶通濾波器2.電路性能參數(shù)通帶增益： (2-4) 中心頻率：(2-5) 通帶寬度：(2-6)品質因素：(2-7)此電路的優(yōu)點是改變和的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。2.2

20、.4帶阻濾波器（BEF）1.帶阻濾波器帶阻濾波器的性能和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率圍，信號則能順利通過，如圖25（a）所示。在雙T網(wǎng)絡后加一級同相比例運算電路就構成了基本的二階有源BEF (a)電路圖(b)頻率特性(c)原理框圖圖25 二階帶阻濾波器2.電路性能參數(shù)通帶增益： (2-8)中心頻率: (2-9)帶阻寬度: (2-10) 品質因數(shù)： (2-11)第3章 有源濾波器設計3.1低通濾波器設計3.1.1參數(shù)的計算設定低通濾波器的截止頻率為、電容為,，由公式（2-2）得出.由公式,則, 。 圖3-1低通濾波電路圖3.1.2 仿真與幅頻

21、特性測量圖3-2輸入、輸出波形圖其中曲線（1）為輸出波形，曲線（2）為輸入波形。（a）低通的通帶增益(b) 低通的截止頻率圖3-3低通的頻率特性從圖3-2中可以讀出輸出、輸入的波形之比為1.6倍左右，從圖3-3(a)中可以讀出它的通帶增益為3.97dB,下降3dB為0.97，此時它所對應的頻率為可以從圖3-3(b)中讀出為15.8KHz,即截止頻率，通過仿真表明該設計具有好的低通濾波特性。3.2 高通濾波器的設計3.2.1參數(shù)的計算設高通的截止頻率為、電容為,，由公式（2-2）得到:得出。由公式,則, 。圖3-4高通濾波電路圖3.2.2仿真與幅頻特性測量圖3-5 輸入、輸出波形圖其中曲線（1）

22、為輸出波形，曲線（2）為輸入波形。(a) 高通的通帶增益 (b) 高通的截止頻率圖3-6高通的頻率特性從圖3-5中我們可以看出輸出波形與輸入波形之比為1.58倍，從圖3-6的(a)中仿真出高通的通帶增益為3.9dB左右，下降到3dB的時候為0.9dB，從(b)中讀出它的截止頻率約為1.59KHz,與我們設計的理論值很接近，可以為下一步提高依據(jù)。3.3帶通濾波器的設計3.3.1參數(shù)的計算從圖3-7中我們知道它是由高通和低通串聯(lián)而成的，設帶通的頻帶寬度其中高通的截止頻率為通帶的上限頻率，低通的截止頻率為通帶的下限頻率。設高通和低通的電壓放大倍數(shù)都為：，高通的電容,低通電容，由公式（2-2）、（2-

23、3）得出圖3-7 帶通濾波電路圖3.3.2仿真與幅頻特性測量圖3-8 輸入、輸出波形圖其中曲線（1）表示輸出波形，曲線（2）表示輸入波形。 (a) 帶通的通帶增益 (b) 帶通的下限截止頻率 (c) 帶通的上限截止頻率圖3-9 帶通幅頻特性帶通濾波電路要求頻帶圍為1.58KHz-15.8KHz。我們可從圖3-8中我們可以讀出帶通濾波器的輸出、輸入之比為約2.1倍,從圖3-9的(a)中讀出帶通濾波器的通帶增益為7.8dB，從(b)讀出比通帶低3dB的頻率是1.578KHz即為通帶的下限頻率，從(c)中看出通帶的上限頻率為16.48KHz,由仿真結果可以看出頻帶寬為1.57KHz-16.41KHz

24、。3.4 帶阻濾波器的設計3.4.1參數(shù)的計算設帶阻濾波器的中心頻率=,，10，根據(jù)公式（2-2）、（2-11）得，根據(jù)公式（2-1），則。要滿足運放的對稱性,即，由公式（2-11）則，圖3-10帶阻濾波電路圖3.4.2仿真與幅頻特性測量圖3-11 通帶時輸入、輸出波形其中曲線（1）表示輸出波形，曲線（2）表示輸入波形。圖3-12 中心頻率時輸入、輸出波形其中曲線（1）表示輸入，曲線（2）表輸出。(a) 帶阻的通帶增益(b) 在中心頻率時的增益圖3-13 帶阻的幅頻特性從圖3-11中我們可以看出帶阻濾波器在通頻帶時，它的放大倍數(shù)約為2倍，圖3-12我們可以看出在中心頻率的時候，輸出波形約為輸入

25、的0.1倍，達到了陷波的目的。從圖3-13 (a)中可以讀出它的通帶增益為5.8dB。圖(b)則描述了它在中心頻率時對應的增益為-12.58dB。第四章 制作與調試4.1制作 按照原理圖安裝元器件。4.2調試4.2.1低通濾波器調試1.故障：在調試低通濾波電路時候，示波器起初沒有任何現(xiàn)象。2.分析：首先檢查是否有電源輸入電壓，應查集成運放NE5532的4和8腳，結果發(fā)現(xiàn)沒有，說明故障可能出現(xiàn)在供電電路，斷開4和8腳，用萬用表測量電源輸出端是否有輸出，測量出有電壓，說明后面有短路或者是集成運放壞，經(jīng)仔細檢查電路后，發(fā)現(xiàn)有導線短路到地。3.解決：把導線移除，最后使電路恢復了正常。4.參數(shù)：實驗電路

26、如圖3-1（1）粗測：接通12V電源。ui 接函數(shù)信號發(fā)生器，令其輸入為Ui1V的正弦波信號，在濾波器截止頻率附近改變輸入信號頻率，用示波器或交流毫伏表觀察輸出電壓幅度的變化是否具備低通特性，如不具備，應排除電路故障。（2）在輸出波形不失真的條件下，選取適當幅度的正弦輸入信號，在維持輸入信號幅度不變的情況下，逐點改變輸入信號頻率。測量輸出電壓，記入表4-1中。表41 低通各點的輸出電壓值頻率f(Hz)800100001300020000輸出UO(v)1.61.51.20.01測量低通的截止頻率在15.8KHz左右，其增益為3.98dB，下降到3dB的時候為0.98dB，放大倍數(shù)與計算值幾乎一樣

27、約為1.58倍，此電路很成功。4.2.2高通濾波器調試1故障：高通濾波電路在調試過程中一切正常。2. 參數(shù)：實驗電路如圖3-4（1）粗測：輸入Ui1V正弦波信號，在濾波器截止頻率附近改變輸入信號頻率，觀察電路是否具備高通特性。（2）測出輸出電壓，記入表4-2。表42高通各點的輸出電壓值頻率f(Hz)800130020003000輸出UO(v)0.50.81.51.578測量高通的截止頻率在1.57KHz左右，其增益為3.98dB，下降到3Dbd的時候為0.98dB，放大倍數(shù)與計算值幾乎一樣約為1.58倍，此電路很成功。4.2.3帶通濾波器調試1.故障：帶通電路在調試過程中一切正常。2.參數(shù)：實驗電路如圖（3-7），測量其頻率特性。記入表43。表43 帶通各點輸出電壓值頻率f(Hz)100500190019881500020000輸出UO(v)0.011.522.21.90.01帶通濾波電路要求頻帶圍為1.58KHz-15.8KHz。帶通濾波電路BPF由一個HPF和LPF串聯(lián)而成，必須保證LPF的下限頻率大于HPF的上限頻率；從表43中讀出比通帶增益低3dB處的頻率分別是1.478KHz-15.441KHz。與設計的很接近，電路成功。4.2.4帶阻濾波器的調試1故障：其濾波電路的效果雖然有，但是并不明顯。2分析：如圖3-10仔細檢查了電路并沒有任何異常，懷疑是示波器的效果不怎么好