電子信息工程專業(yè)課綜合畢業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)濰坊學(xué)院專業(yè)課綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 數(shù)字濾波器系部：信息與控制工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：2100級(jí)2班指導(dǎo)教師：徐國(guó)盛2013年 12月 13日1目錄2234A4B6162839C1 211 2a1 2b1 3c1 421 5DMatlab1611 621 82 12 1一、 設(shè)計(jì)要求自已設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。利用 Matlab 或其他仿真軟件進(jìn)行仿真。有源濾波器由是有源元件和無(wú)源元件 ( 一般是 R 和 C)共同組成的電濾波器。 和無(wú)源濾波器相比，它的設(shè)計(jì)和調(diào)整過(guò)程較簡(jiǎn)便，此外還能提供增益。因此，本課

2、程設(shè)計(jì)中選擇了二階有源濾波器作為主要研究對(duì)象。1、 自行設(shè)計(jì)電路圖，確定前置放大電路，有源濾波電路，功率放大電路的方案，并使用繪圖軟件（Electronics Worrkbench）畫出設(shè)計(jì)電路，包括低通、高通和帶通。2、 所設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)。3、 根據(jù)給定要求和電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)。4、 用 Matlab 或其他仿真軟件（ FilterLab）對(duì)濾波器進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果。二、設(shè)計(jì)原理1、 電容器 C具有通高頻阻低頻的性能。2、 由源濾波器由放大電路部分和濾波電路部分組成。3、 仿真軟件可以將濾波器的性能直觀的表現(xiàn)出來(lái)。4、 各種

3、濾波器的幅頻特性：三、設(shè)計(jì)思路濾波器階數(shù)越高濾波效果越好。當(dāng)然，無(wú)論電感電容濾波器還是模擬濾波器，算法都會(huì)隨著階數(shù)的增加變得復(fù)雜。一階濾波器是最簡(jiǎn)單的濾波器，也是高階濾波器的基礎(chǔ)。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中先從一階濾波器著手考慮，將其原理應(yīng)用到二階以致多階。實(shí)現(xiàn)濾波器的電路很多，在考慮二階濾波器設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要以壓控電壓源式濾波電路作為考慮，其特點(diǎn)是運(yùn)算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源。其優(yōu)點(diǎn)是：電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。用 Electronics Worrkbench 繪制電路圖。使用 Matlab 設(shè)計(jì)仿真時(shí)，使用Butterworth 函數(shù)研究。使用

4、Matlab 提供的內(nèi)建函數(shù) freqz ，可以求得濾波器系統(tǒng)的頻率相應(yīng)特性。1、2、3、四、設(shè)計(jì)內(nèi)容A、一階有源濾波電路（基礎(chǔ)）如果在一階 RC低通電路的輸出端，再加上一個(gè)電壓跟隨器，使之與負(fù)載很好隔離開來(lái)，就構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的一階有源 RC低通濾波電路，如圖 1 所示，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此，其帶負(fù)載能力很強(qiáng)。如果希望電路不僅有濾波功能，而且能起放大作用，則只要將電路中的電壓跟隨器改為同相比例放大電路即可。下面介紹它的性能。a傳遞函數(shù)RC 低通電路的傳遞函數(shù)為：一階低通濾波器對(duì)于電壓跟隨器，其通帶電壓增益Ao 等于同相比例放大電路的電壓增益 AVF，即因此，可導(dǎo)出電路

5、的傳遞函數(shù)為：（ 1）式中 n=1(RC)，n 稱為特征角頻率。由于傳遞函數(shù)中分母為s 的一次冪，故上述濾波電路稱為一階低通有源濾波電路。b幅頻響應(yīng)對(duì)于實(shí)際的頻率來(lái)說(shuō)，式(1) 中的 s 可用 s=j 代入，由此可得( 2 )（ 3 ）圖 2幅頻響應(yīng)B、二階濾波電路1、二階低通濾波電路二階低通濾波電路二階低通濾波器如圖所示，它由兩節(jié) RC濾波器和同相放大電路組成。其中同相放大電路實(shí)際上就是所謂的壓控電壓源，它的電壓增益就是低通濾波的通帶電壓增益，即a. 傳遞函數(shù)可以推導(dǎo)出二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為上式為二階低通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。 其中 n 為特征角頻率， 而 Q則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。上

6、式表明， AO=AVF<3，才能穩(wěn)定工作。當(dāng) AO=AVF3， A(s) 將有極點(diǎn)處于右半 s 平面或虛軸上，電路將自激振蕩。b. 幅頻響應(yīng)用 s=j 代入上式可得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達(dá)式為相頻響應(yīng)表達(dá)式表明，當(dāng) w=0時(shí)， ；當(dāng)時(shí)， 。顯然，這是低通濾波電路的特性。由幅頻響應(yīng)表達(dá)式可畫出不同 Q值下的幅頻響應(yīng)，如圖所示。由圖可見，當(dāng)Q=0.707 時(shí)，幅頻響應(yīng)較平坦，而當(dāng)Q>0.707 時(shí)，將出現(xiàn)峰值，當(dāng) Q=0.707 和 =1 情況下， ；當(dāng) =10 時(shí)， 。這表明二階比一階低通濾波電路的濾波效果好得多。2、二階高通濾波電路如果將低通濾波電路中 R和 C的位置互換，則可得到二

7、階壓控電壓源高通濾波電路如上圖所示。a. 傳遞函數(shù)由于二階高通濾波電路和低通濾波電路的幅頻特性具有對(duì)偶關(guān)系，它們的傳遞函數(shù)也如此。將二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)表達(dá)式中的 sRC用代替，則可得二階高通濾波電路的傳遞函數(shù)為：（1）令（ 2）則（3）式（ 3）為上階高通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。b. 幅頻響應(yīng)將式（ 3）中的 s 用 s=j 代替，則可得二階高通濾波電路的頻率響應(yīng)特性方程為（ 4）即有（ 5）由此可畫出其幅頻響應(yīng)的曲線，如圖所示。由圖可見，二階高通濾波電路和低通濾波電路的幅頻特性具有對(duì)偶（鏡像）關(guān)系。如以 =n 為對(duì)稱軸，二階高通濾波電路的隨 升高而增大，而二階低通濾波電路的則隨

8、著 升高而減小。二階高通濾波電路在 <<n 時(shí)，其幅頻響應(yīng)以 40dBdec 的斜率上升。由式（ 1）知，只有 Ao=Avf<3 時(shí)，電路才能穩(wěn)定地工作。3、二階帶通濾波電路帶通濾波電路的幅頻響應(yīng)與高通、低通濾波電路的幅頻響應(yīng)進(jìn)行比較，可以看出低通與高通濾波電路相串聯(lián)可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波電路的截止角頻率 H大于高通濾波電路的截止角頻率Wl，兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)通帶響應(yīng)。二階帶通濾波電路a、傳遞函數(shù)為了計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)R3=2R， R2=R，由電路圖可得到下面方程組（1）令（2）則有（ 3）式中， Ao 稱為帶通濾波電路的通帶電壓增益， o 稱為中心角頻率。令

9、 s=j 代入(3 ）式則有（4）截止角頻率：b. 幅頻響應(yīng)帶通濾波器幅頻響應(yīng)曲線根據(jù)帶通濾波電路的傳遞函數(shù)可求出其幅頻響應(yīng)如上圖所示， 由圖可見， Q值越高，通帶越窄。帶通濾波電路的傳遞函數(shù)分母虛部的絕對(duì)值為1 時(shí)，有；因此，利用，取正根，可求出帶通濾波電路的兩個(gè)截止角頻率，從而求出帶通濾波電路的通帶寬度BW=。C、用仿真軟件設(shè)計(jì)濾波器使用工具： FilterLabFilterLab 2.0 is an innovative software tool that simplifies activefilterdesign.The FilterLab2.0 activefiltersoftwa

10、redesign toolprovidesfull schematic diagrams of the filter circuit with recommended component values and displays the frequency response.1、 給定參數(shù)設(shè)計(jì)并仿真濾波器a、二階低通濾波器Fp=500Fs=1500Order=2Circuit：二階低通濾波器仿真電路二階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線b、二階高通濾波器Fp=3000Fs=500Order=2Circuit：二階高通濾波器仿真電路二階高通濾波器頻率響應(yīng)曲線c 、帶通濾波器Fpl=2000Fph=7000Fs

11、l=100Fsh=50000Order=2Circuit：二階帶通濾波器仿真電路二階帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線2、比較不同階數(shù)濾波器特性（附加）一階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線三階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線五階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線七階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線結(jié)論：通過(guò)比較一階、三階、五階、七階低通濾波器的幅頻和相頻特性曲線我已看出，濾波器階數(shù)越高，其性能越好，靈敏度越高。D、濾波器的 Matlab 設(shè)計(jì)仿真（輔助）Matlab提供的濾波器分析函數(shù)freqzH,F = freqz(B,A,N,Fs)其中BA提供濾波器系數(shù)B 為分子A 為分母（ b0 + b1Z-1 +.)(a0 +a1Z-1 +.)N 表示選

12、取單位圓的上半圓等間距的 N 個(gè)點(diǎn)作為頻響輸出；Fs為采樣頻率，該參數(shù)可以省略H 為 N 個(gè)點(diǎn)處的頻率響應(yīng)復(fù)值輸出向量，其模即為頻響幅值曲線幅值20log10(abs(H)DB ，其幅角 angle(H) 即為頻響相位曲線相位值。F 為與第 N 點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值 f （Hz），如果 Fs 參數(shù)省略時(shí)，則頻率值 w為 radsample ， w = 2*pi*fFs1、二階低通濾波器程序：clear all;close all;wp=100*2*pi;ws=200*2*pi;rp=2;rs=15;Fs=500;n,wc=buttord (wp,ws,rp,rs,'s');z,p,

13、k=buttap(n);a,b,c,d=zp2ss(z,p,k);at,bt,ct,dt=lp2lp(a,s,c,d,wc);num1,den1=ss2tf(at,bt,ct,dt);num2,den2=bilinear(num1,den1,500);,wn=buttord(wp,ws,rp,rs,'s')z,p,k=buttap(n);b0,a0=zp2tf(z,p,k);b,a=lp2lp(b0,a0,wn);xlabel('頻率（ =iirlp2hp(bz,az,0.4,0.4);,wd);plot(wd,20*log10(abs(;xlabel('ome

14、ga(rad)');ylabel('幅度 (dB)');title('高通濾波器仿真 ');end五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和分析通過(guò)這次濾波器設(shè)計(jì)，了解了濾波器的一些概念、功能和一些基本的類型，對(duì)模電知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，學(xué)習(xí)了低通原型濾波器及其傳遞參數(shù)、頻率變換、濾波器的設(shè)計(jì)流程，在對(duì)截止頻率 fc 和濾波器的階數(shù) N 求解時(shí)，運(yùn)算由于太復(fù)雜，在計(jì)算過(guò)程中運(yùn)用了 MATLAB，由于是一種新的軟件，通過(guò)上網(wǎng)和查閱書籍，了解它的一些基本的用法，軟件具有強(qiáng)大的功能，能很好的幫助濾波器電路的設(shè)計(jì)，以及輔助模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)能很快的解決復(fù)雜的試解過(guò)程用有源濾波器的快速實(shí)用設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了二階低通濾波器的初電路。經(jīng)過(guò)和翻閱資料和同學(xué)的討論，成功解決了這個(gè)難題?？偟膩?lái)說(shuō)，這次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較成功，從中學(xué)到不少知識(shí)，在進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化時(shí)，都應(yīng)該大膽的嘗試，不要怕出現(xiàn)錯(cuò)誤，要從中學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題。參考文獻(xiàn)1 電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分高等教育出版社 康華光 1999 年2有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊(cè)電子工業(yè)出版社約翰遜 穆爾 1984 年3 信號(hào)分析和處理 -MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用 國(guó)防科技大學(xué)出版社黃文梅 楊勇2000 年4無(wú)源與有源濾波器理論與應(yīng)用人民郵電出版社