二階高通濾波器

高通濾波器的設(shè)計(jì)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)班級(jí)：2010級(jí)（1）班學(xué)號(hào)：201030210105姓名：焦義強(qiáng)指導(dǎo)老師：黃磊TOC\o"1-5"\h\z刖言 -3-\o"CurrentDocument"第一章設(shè)計(jì)任務(wù) -4-\o"CurrentDocument"1.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 -4-\o"CurrentDocument"1.2設(shè)計(jì)目的 -4-\o"CurrentDocument"第二章濾波器的基本理論 -4-\o"CurrentDocument"2.1濾波器的有關(guān)參數(shù) -4-\o"CurrentDocument"2.2有源濾波和無(wú)源濾波 -6-\o"CurrentDocument"2.3高通濾波器 -7-\o"CurrentDocument"第三章濾波系統(tǒng)中二階高通濾波器設(shè)計(jì) -7-\o"CurrentDocument"3.1壓控電壓源二階高通濾波電路 -7-\o"CurrentDocument"3.2所需軟件前面板（軟面板） -9-\o"CurrentDocument"3.3所需電子元件 -9-\o"CurrentDocument"3.4電路連線圖 -10-\o"CurrentDocument"第四章二階高通濾波電路的測(cè)試 -11-\o"CurrentDocument"4.1運(yùn)放電路波形的輸入與輸出 -11-\o"CurrentDocument"4.2二階高通運(yùn)放的頻率特性測(cè)試 -12-\o"CurrentDocument"第五章結(jié)論 -14-\o"CurrentDocument"5.1對(duì)本設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)的分析 -14-\o"CurrentDocument"5.2結(jié)論與心得 -14-\o"CurrentDocument"附錄一A741/LM741型運(yùn)算放大器的資料 -15-\o"CurrentDocument"附錄二參考文獻(xiàn) -16-濾波器可廣義地理解為一個(gè)信號(hào)選擇系統(tǒng)。它讓某些信號(hào)成分通過(guò)又阻止或衰減另一些成分。在更多地情況下，被窄義地理解為選頻系統(tǒng)，如低通、高通、帶通、帶阻。頻域與時(shí)域均衡器也是一種濾波器，通信系統(tǒng)的傳輸媒介如明線、電纜等從特性看也是濾波器。濾波器如系統(tǒng)一樣可分為三類：模擬濾波器、采樣濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器(AF)可以是由RLC構(gòu)成的無(wú)源濾波器，也可以是加上運(yùn)放的有源濾波器，它們是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。采樣濾波器(SF)由電阻、電容、電荷轉(zhuǎn)移器件、運(yùn)放等組成，屬于離散時(shí)間系統(tǒng)，其幅度是連續(xù)的。開(kāi)關(guān)電容濾波器、電荷耦合濾波器均屬這類濾波器。數(shù)字濾波器(DF)由加法器、乘法器、存儲(chǔ)延遲單元、時(shí)鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數(shù)字電路構(gòu)成。它精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問(wèn)題，可以分時(shí)復(fù)用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務(wù)。其缺點(diǎn)是需要抽樣、量化、編碼。以及受時(shí)鐘頻率所限，所能處理的信號(hào)最高頻率還不夠高。另外，由于有限字長(zhǎng)效應(yīng)會(huì)造成域設(shè)計(jì)值的頻率偏差、量化和運(yùn)算噪聲及極限環(huán)振蕩。LabVIEW是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，使用圖標(biāo)表示功能模塊迷失用圖標(biāo)之間的連線表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞。同時(shí)LabVIEW繼承了高級(jí)編程語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，支持模塊化與層次化實(shí)際，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際增強(qiáng)了程序的可讀性。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接收，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用他可以方便的建立自己的虛擬儀器。以LabVIEW為代表的圖形化編程語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)編程時(shí)，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。LabVIEW盡可能利用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因而它是一種面向最終用戶的開(kāi)發(fā)工具，可以增強(qiáng)工程人員構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，可為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑。本次課程設(shè)計(jì)就是在LabVIEW基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器一一高通濾波器。并從中學(xué)習(xí)和了解LabVIEW的運(yùn)用。第一章設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求用壓控電壓源設(shè)計(jì)電路截止頻率fc=160Hz通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2品質(zhì)因數(shù)Q=11.2設(shè)計(jì)目的了解濾波器的工作特點(diǎn)掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法掌握常用元器件的識(shí)別和測(cè)試培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力熟悉NIEVISII的使用，了解電路調(diào)試的基本方法進(jìn)一步提咼自己的動(dòng)手實(shí)踐能力掌握專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的格式及流程第二章濾波器的基本理論2?1濾波器的有關(guān)參數(shù)實(shí)際濾波器的基本參數(shù)：理想濾波器是不存在的，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒(méi)有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個(gè)過(guò)渡帶。在過(guò)渡帶內(nèi)的頻率成分不會(huì)被完全抑制，只會(huì)受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過(guò)渡帶越窄越好，也就是希望對(duì)通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際濾波器時(shí)，總是通過(guò)各種方法使其盡量逼近理想濾波器。理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數(shù)，故需用更多參數(shù)來(lái)描述。紋波幅度d：在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動(dòng)幅度d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB。截止頻率fc:幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對(duì)于A0衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值:上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力——頻率分辨力。在電工學(xué)中，通常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當(dāng)于諧振點(diǎn)的幅值增益系數(shù)， Q=l/2g（g——阻尼率）。對(duì)于帶通濾波器，通常把中心頻率f0（）和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。例如一個(gè)中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。倍頻程選擇性W:在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過(guò)渡帶，這個(gè)過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量或倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。對(duì)于遠(yuǎn)離截止頻率的衰減率也可用 10倍頻程衰減數(shù)表示之。即］dB/10oct］。濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）：濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式，它是利用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來(lái)衡量濾波器選擇性，理想濾波器=1，常用濾波器=1-5，顯然，越接近于1,濾波器選擇性越好。？濾波器的截止頻率用來(lái)說(shuō)明電路頻率特性指標(biāo)的特殊頻率。當(dāng)保持電路輸入信號(hào)的幅度不變，改變頻率使輸出信號(hào)降至最大值的0.707倍，或某一特殊額定值時(shí)該頻率稱為截止頻率。在高頻端和低頻端各有一個(gè)截止頻率，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。db的計(jì)算公式是20*log10(x),x為信號(hào)某一個(gè)頻率上真正的幅值。用濾波器去測(cè)試其截止頻率，保持電路輸入信號(hào)的幅度不變，改變頻率使輸出信號(hào)降至最大值的0.707倍。所測(cè)值為其截止頻率。濾波器的帶寬為兩個(gè)截止頻率之間的頻率范圍又稱為通頻帶。2.2有源濾波和無(wú)源濾波無(wú)源濾波器通常是用電阻，電容，電感這些無(wú)源器件構(gòu)成的，無(wú)源濾波器：這種電路主要有無(wú)源元件R、L和C組成。有源濾波器：集成運(yùn)放和R、C組成,具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。而有源濾波器常包含運(yùn)放等要接外部電源才能工作的器件。通常有源濾波的效果較好。無(wú)源濾波器：集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。有源濾波自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測(cè)到系統(tǒng)諧波的同時(shí)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(shí)還可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率。其優(yōu)點(diǎn)是反映動(dòng)作迅速，濾除諧波可達(dá)到95%以上，補(bǔ)償無(wú)功細(xì)致。缺點(diǎn)為價(jià)格高，容量小。由于目前國(guó)際上大容量硅閥技術(shù)還不成熟，所以當(dāng)前常見(jiàn)的有源濾波容量不超過(guò)600kvar。其運(yùn)行可靠性也不及無(wú)源。一般無(wú)源濾波指通過(guò)電感和電容的匹配對(duì)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(gè)低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會(huì)流入系統(tǒng)。無(wú)源濾波的優(yōu)點(diǎn)為成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對(duì)成熟，容量大。缺點(diǎn)為諧波濾除率一般只有80%，對(duì)基波的無(wú)功補(bǔ)償也是一定的。目前在容量大且要求補(bǔ)償細(xì)致的地方一般使用有源加無(wú)源混合型，即無(wú)源進(jìn)行大容量的濾波補(bǔ)償，有源進(jìn)行微調(diào)。有源濾波器與無(wú)源濾波器相比，有以下特點(diǎn)：不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)。2.3高通濾波器高通濾波器，是去掉信號(hào)中不必要的低頻成分，去掉低頻干擾的濾波器；在電力系統(tǒng)中，諧波補(bǔ)償時(shí)用高通濾波器濾除某次及其以上的各次諧波。高通濾波器是指車載功放中能夠讓中、高頻信號(hào)通過(guò)而不讓低頻信號(hào)通過(guò)的電路，其作用是濾去音頻信號(hào)中的低音成分，增強(qiáng)中音和高音成分以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的中音和高音單元。此外高通濾波器常常和低通濾波器成對(duì)出現(xiàn)，不論哪一種，都是為了把一定的聲音頻率送到應(yīng)該去的單兀。第三章濾波系統(tǒng)中二階高通濾波器設(shè)計(jì)3.1壓控電壓源二階高通濾波電路電路如圖3-1所示：

通帶增益:Aup二1+通帶增益:RiAup表示二階高通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)截止頻率:品質(zhì)因數(shù):電壓放大倍數(shù):13-Aup(j品質(zhì)因數(shù):電壓放大倍數(shù):13-Aup(j?RC》Aup—1+(3-Aup屆RC+(j?RC\Aup圖圖3-1壓控電壓源二階高通濾波電路該電路對(duì)數(shù)幅頻特性如圖3-2所示：-20--30-/-40fIII|_——I 1 >0.20.512 10f/fo圖3-2二階高通濾波器對(duì)數(shù)幅頻特性3.2所需軟件前面板（軟面板）數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）函數(shù)發(fā)生器（FGEN）示波器（示波器）阻抗分析儀波特分析儀（波特）3?3所需電子元件10k0電阻，Rl,Rf1k0電阻，R1uF電容，C741運(yùn)算放大器

3.4電路連線圖1.在NIELVISII面板上連接與如圖3-3所示相似的電路圖3-3在NIELVISII面板上的741運(yùn)放電路注意：該運(yùn)放采用+15VDC和-15VDC的電源供應(yīng)。它們可以在該面板上標(biāo)記為“DC電源供應(yīng)+15V、-15V與接地”的引腳插座上找到。將該函數(shù)發(fā)生器［FGEN］的引腳插座與該運(yùn)放的輸入V相連接。I將［接地］引腳通過(guò)一個(gè)電阻R與該運(yùn)放的引腳3相連。將該運(yùn)放的輸出電壓V與該示波器的BNC輸入連線端子［CH1與接地］相連O接。5.將輸入（V）與輸出I（V）O信號(hào)與模擬輸入引腳按如下方式相連接V+IAI0+（來(lái)自該FGEN的輸出）V-IAI0-（來(lái)自接地）V+OAI1+（來(lái)自運(yùn)放的輸出）V-AI1-（來(lái)自接地）O第四章二階高通濾波電路的測(cè)試4.1運(yùn)放電路波形的輸入與輸岀1?在函數(shù)發(fā)生器的面板上，設(shè)置下列參數(shù):波形:正弦波波峰幅值：0.2Vpp頻率：1kHzDC偏置：0.0V起始頻率：100Hz停止頻率：1kHz步進(jìn)頻率：100Hz單步執(zhí)行時(shí)間：1s圖4-1函數(shù)發(fā)生器面板參數(shù)設(shè)置

波形圖的觀測(cè)給該NIELVISII面板加電。點(diǎn)擊FGEN與示波器的［運(yùn)行］按鈕。設(shè)置觸發(fā)信號(hào)為邊緣觸發(fā)、AI0、電壓水平為0.0和事件標(biāo)度為1ms。在該示波器窗口測(cè)量該運(yùn)放的輸入(AIO)和輸出(AI1)的幅值，如圖4-2所示。圖4-2運(yùn)放的輸入與輸出信號(hào)注意：該輸出信號(hào)如預(yù)期與輸入信號(hào)同向，電壓增益(幅值之比，AI1/AI0)為2。

4.2二階高通運(yùn)放的頻率特性測(cè)試通過(guò)波特分析儀測(cè)得該二階高通濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖4-3所示,^BodeAnalyzer一HIELVISu^LaWlEW-50.0-10.0-20a0-30a0噸0-^o.o- !5 10130.0T1001000Frequency(Hz)120.0100.080.050.0-140.0-160.0-20.00.0-20a05 10 100 1000FrequencyQH刃Frequency(Hz)19905.34Phase(deg)-1.55 Gain1.95Gain(dB)6.001QQ00199051000019905^LaWlEW-50.0-10.0-20a0-30a0噸0-^o.o- !5 10130.0T1001000Frequency(Hz)120.0100.080.050.0-140.0-160.0-20.00.0-20a05 10 100 1000FrequencyQH刃Frequency(Hz)19905.34Phase(deg)-1.55 Gain1.95Gain(dB)6.001QQ00199051000019905MeasurementSettingsStimulusChannmlResponseCh呂仃nmlPT]Autos匚對(duì)己Cursor(Real)vCursorSettingsIICursorsOnPositionLeft:??RightStopFrequen匚丫20.00k0HzGraphSettingsFlappingLogarithmi匚vNormalvAIDvAl1StartFrequen匚y5.000|hzStepsPeakAmplitude10$:perdecade)Op-AmpSignalPolarity圖4-3二階高通濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)第五章結(jié)論5.1對(duì)本設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)的分析本次課程設(shè)計(jì)我們主要根據(jù)要求中的提示，首先確定了各個(gè)部位元件的類型，在充分分析和掌握了濾波電路的工作原理進(jìn)行了認(rèn)真仔細(xì)的計(jì)算和公式的推倒，最終掌握了具有一般性的相關(guān)公式，當(dāng)然，在公式的驗(yàn)算中為了簡(jiǎn)化公式，也采取了一些小技巧，在確定滿足課題要求的情況下，令電容相等，從而大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，但是在設(shè)計(jì)的諸多方面（電路的穩(wěn)定性，參數(shù)選擇的優(yōu)越性，電路的調(diào)試等）存在不足之處。5.2結(jié)論與心得1、 由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)頻率f為通帶截止頻率fc時(shí)，輸出電壓Uo約為最大輸出電壓的0.707倍，即丨Au1^0.707|AuP|o2、 由實(shí)驗(yàn)可知，高通濾波器削弱低頻信號(hào)，只放大頻率高于fc的信號(hào)，我們可把高通濾波器用于交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分。3、 實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)的波形沒(méi)有失真，說(shuō)明只要正反饋引入得到，就能在f=fo時(shí)使電壓放大