有源帶通濾波器設(shè)計

1、二階有源模擬帶通濾波器設(shè)計摘要 濾波器是一種具有頻率選擇功能的電路，它能使有用的頻率信號通過。而同時抑制(或衰減)不需要傳送頻率范圍內(nèi)的信號。實際工程上常用它來進行信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等，目前在通訊、聲納、測控、儀器儀表等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。  以往這種濾波電路主要采用無源元件R、L和C組成，60年代以來，集成運放獲得迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗比較低，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。    通常用頻率響應(yīng)來描述濾波器的

2、特性。對于濾波器的幅頻響應(yīng)，常把能夠通過信號的頻率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減信號的頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率。    濾波器在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減。按照通帶和阻帶的位置分布，濾波器通常分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。文中結(jié)合實例，介紹了設(shè)計一個二階有源模擬帶通濾波器。 設(shè)計中用RC網(wǎng)絡(luò)和集成運放組成，組成電路選用LM324不僅可以濾波，還可以進行放大。關(guān)鍵字：帶通濾波器 LM324 RC網(wǎng)絡(luò)目錄目錄4第一章 設(shè)計要求51.1基本要求5第二章 方案選擇及原理分析

3、62.1.方案選擇62.2 原理分析7第三章 電路設(shè)計93.1 實現(xiàn)電路93.2參數(shù)設(shè)計93.3電路仿真111.仿真步驟及結(jié)果112.結(jié)果分析13第四章 電路安裝與調(diào)試144.1實驗安裝過程144.2 調(diào)試過程及結(jié)果144.2.1 遇到的問題144.2.2 解決方法144.2.3 調(diào)試結(jié)果與分析14結(jié)論15參考文獻16第一章 設(shè)計要求1.1基本要求1、設(shè)計帶通濾波器。2、能夠?qū)崿F(xiàn)頻帶在628Hz1628Hz的帶通濾波。第二章 方案選擇及原理分析2.1.方案選擇濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。按電路組成分可分為：LC無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)

4、成的無源濾波器、RC有源濾波器。模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比。H ( j ) 表達了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關(guān)系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性。頻率特性H ( j )是一個復函數(shù)，其幅值A(chǔ) ( )稱為幅頻特性，其幅角(w)表示輸出信號的相位相對于輸入信號相位的變化，稱為相頻特性。常用的濾波器有有源和無源兩種，無源濾波器即為由無源原件組成如 L、R和C組成。下圖為一階RC低通濾波電路。 圖一 一階RC低通濾波電路其幅頻特性和相頻特性如下圖二 幅頻特性和相頻特性無源濾波器電路的通帶放大倍數(shù)和其截止頻率都隨負載而變化

5、，這一點不符合信號處理的要求，因而產(chǎn)生有源濾波電路。有源濾波器有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成的。下圖為簡單的有源一階濾波器。 圖三 RC有源濾波器集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗比較低，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。由集成和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，它還具有一定的增益，且因輸入與輸出之間有良好的隔離而便于級聯(lián)。由于大多數(shù)反映生理信息的光電信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點，因而RC有源濾波器普遍應(yīng)用于光電弱信號檢測電路中。有源濾波器的性能更加

6、好.綜合以上分析，本次設(shè)計選用有源濾波器。2.2 原理分析本實驗要求設(shè)計帶通濾波，設(shè)計采用有源二階網(wǎng)絡(luò)完成。將一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián)即可得到一個帶通濾波器。 圖四 帶通濾波器電路圖二階有源模擬帶通濾波器電路，如圖四所示。圖中R1、C2組成低通網(wǎng)絡(luò)，R3、C1組成高通網(wǎng)絡(luò)，A、Ra、Rb組成了同相比例放大電路，三者共同組成了具有放大作用的二階有源模擬帶通濾波器，以下均簡稱為二階帶通濾波器。與一階RC濾波電路相比，二階RC濾波電路對通頻帶外信號的抑制能力更強，濾波效果更好。二階 RC電路移相范圍為180°，比一階電路移相范圍更大。二階 RC濾波電路不僅能實現(xiàn)低通和高通濾波特性

7、，還可實現(xiàn)帶通濾波特性。其幅頻特性如下所示 圖五 帶通濾波器幅頻特性圖中，當=0時，電壓放大倍數(shù)最大。帶通濾波器的通頻帶寬度為BW0.7=0(2Q)=f0Q，顯然Q值越高，則通頻帶越窄。在通頻帶內(nèi)濾波器幅度是平坦的，而通帶外的各種干擾信號卻具有無限抑制能力。各種帶通濾波器總是力求趨近理想矩形特性。通帶截頻: fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。阻帶截頻: fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。   第三章 電路設(shè)計3.1 實現(xiàn)電路 有源二階帶通濾波器的電路圖設(shè)計

8、如下所示：圖六 二階有源帶通濾波器電路圖 圖中R1、C2組成低通網(wǎng)絡(luò)，R3、C1組成高通網(wǎng)絡(luò)，A、Ra、Rb組成了同相比例放大電路，三者共同組成了具有放大作用的二階有源模擬帶通濾波器3.2參數(shù)設(shè)計為同相比例運算電路的輸入，比例系數(shù)為：當時，電路的傳遞函數(shù)為：令中心頻率為電壓放大倍數(shù)為： 當時，得出通帶放大倍數(shù)為：經(jīng)過計算，得到下限截止頻率和上限截止頻率分別為： 已知，通頻帶為：設(shè)計參數(shù)為：，, 代入以上公式可得：， ， ， 通頻帶為：值得注意的是，在設(shè)計電路時，首先要根據(jù)式(3)確定帶通濾波器的中心頻率，因為二階帶通濾波器中的元器件比較多，相互干系也比較煩瑣。首先確定中心頻率對以后的數(shù)值計算會

9、有很大的簡化。為了方便，也可以取R1=R3=R，C1=C2=C，Ra=Rb=R，如果想設(shè)計一個帶放大的帶通濾波器，可以根據(jù)式(2)或者根據(jù)有源帶通濾波器的同相放大倍數(shù)在確定了其它數(shù)值后適當改變Ra和Rb的值得到你想要的放大倍數(shù)。這里建議不要隨意大幅度改變Ra和Rb的值，因為根據(jù)式(4)可以看出在確定了其他數(shù)值后改變Ra和Rb會影響Q值，而Q值的大小直接影響到電路的工作狀態(tài)是否穩(wěn)定。此外，Q值對元器件數(shù)值的大小比較敏感，所以在選擇元器件時盡量選取精度較高的器件。3.3電路仿真1.仿真步驟及結(jié)果按上述電路圖和設(shè)計參數(shù)連接電路圖，得結(jié)果如下所示（1）.f=1000Hz 此為中心頻率，因為設(shè)計參數(shù)設(shè)計

10、增益為2，所以輸出信號較輸入放大兩倍。（2）.f=100Hz 通頻帶設(shè)計為500-2000，此處輸入頻率在頻帶之外，輸出，信號發(fā)生衰減（3）.f=10000Hz 通頻帶設(shè)計為500-2000，此處輸入頻率在頻帶之外，輸出，信號發(fā)生衰減2.結(jié)果分析從仿真結(jié)果中可以看出，當輸入信號頻率為1000Hz時，輸出信號的幅值放大了兩倍，且輸出信號與輸入信號同相。當輸入信號頻率為10000Hz時，輸出信號的幅值衰減到了幾乎為零，并且輸入輸出信號的相位不同相。當輸出信號的幅值為100Hz時，此時的輸出信號與10000Hz時相同，輸出信號的幅值衰減到了幾乎為零，并且輸入輸出信號的相位不同相。從上面的仿真結(jié)果可知

11、，設(shè)計的濾波器可以允許頻率為中心頻率1000Hz左右的信號通過，而在通帶之外的信號則不能通過。說明該濾波器實現(xiàn)了帶通濾波功能，該設(shè)計方案是可行的。第四章 電路安裝與調(diào)試4.1實驗安裝過程（1）按電路圖列好元器件清單，領(lǐng)好元器件。（2）按電路圖進行焊接。（3）焊完電路之后檢查是否有錯焊、虛焊、漏焊之處。（4）上電調(diào)試，觀察實驗現(xiàn)象。（5）根據(jù)試驗中的問題進行相應(yīng)的檢查、改正和改進。4.2 調(diào)試結(jié)果與分析經(jīng)過反復地檢查修改，電路能正常顯示相應(yīng)的現(xiàn)象。但由于焊接過程中出現(xiàn)了較多錯誤多次改正，焊板線路比較凌亂，有一些地方接觸不良，所以在后期，實驗現(xiàn)象時斷時續(xù)。整個實驗現(xiàn)象說明，該部分電路設(shè)計方案簡單有

12、效，是可行的。其次，由于電路經(jīng)過多次的改正和重焊，線路有些部位接觸不良，連線比較混亂，影響了實驗效果。實驗現(xiàn)象說明此設(shè)計方案可行，但仍存在不足之處。結(jié)論本課題主要是要完成對帶通濾波器的電路設(shè)計。帶通濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻率設(shè)置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。 要想獲得好的濾波特性，一般需要較高的階數(shù)。濾波器的設(shè)計計算十分麻煩，需要時可借助于工程計算曲線和有關(guān)計算機輔助設(shè)計軟件。雖然由集成運放和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕，集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓

13、放大和緩沖作用等優(yōu)點。但是因其品質(zhì)因素Q值無法做的很大，也就導致其通頻帶寬度無法做的很窄，造成了該濾波器對頻率的選擇性不是很好，對干擾信號的抑制能力也不是很強，所以在選擇設(shè)計濾波器方案的同時，要注意結(jié)合實際情況，在滿足實際要求的狀態(tài)下合理選用濾波器的設(shè)計方案。本次課程設(shè)計主要是應(yīng)用模擬電路知識完成二階有源濾波器的設(shè)計。該電路并不復雜，實驗中要融會貫通所學知識，充分考慮元器件成本和可操作性，設(shè)計出最合理最簡單最實用的電路。實驗過程中遇到了很多問題，通過一步步的研究和探索，查閱各種資料，問題終于得到了解決。在今后的學習和生活中，要注重能力的培養(yǎng)，注重擴大自己的知識面提高動手能力。參考文獻1.陳永甫. 新編555集成電路應(yīng)用800 例.