自動化-電子報告-有源帶阻濾波器

1、二階有源帶阻濾波器二階有源帶阻濾波器設計摘 要濾波器主要用于消除干擾信號，將輸入信號經過過濾而得到特定頻率的頻點或者除去該頻點以外的頻率。有源濾波器由運放、電阻和電容組成。帶阻濾波器是為了限制某一頻率的信號通過，又稱為陷波器。關鍵字：有源濾波器，帶阻濾波器，運算放大器，限制頻率AbstractFilter is used to work off interfering signal，the signal input is filtered to get a certain frequency signal,or work off a certain frequency.Active filte

2、r comprises operational amplifier,resistance and capacitance.Band stop filter is used to stop a certain frequency sigal.and it is also called trap filter.Key words:active ler,band stop filter,operational amplifier,stop a certain frequency 19 / 19目 錄一、設計要求3二、設計的目的和作用3三、設計的具體實現41、濾波器的概念和分類4、相關知識了解4、相關

3、概念6、電路設計思路7、二階有源帶阻濾波器的設計原理7、設計方案8、各功能模塊的劃分、組成與功能9、總體方案的可行性證明9、列寫電路傳遞函數及相關方程10、電路工作過程112、單元電路設計與分析12四、心得體會16五、致謝17六、參考文獻18七、附 錄19一、設計要求(1)、設計一個二階有源帶阻濾波器電路；(2)、設計從實際出發(fā)，綜合考慮實用、經濟和性能，要求盡可能的兼顧；(3)、合理選用元器件。 二、設計的目的和作用(1)、了解濾波器概念和有關參數的測量、計算方法；(2)、掌握二階有源帶阻濾波器電路的設計方法；(3)、了解二階有源帶阻濾波器的性能特點(4)、掌握二階有源帶阻濾波器的安裝與調試

4、方法;(5)、理論應用于實踐，增強動手能力;三、設計的具體實現1、濾波器的概念和分類、相關知識了解由有源器件（晶體管或集成運放）和電阻、電容構成的濾波器稱為RC有源濾波器。濾波器分為一階、二階和高階濾波器。階數越高，其幅頻特性越接近于理想特性，濾波器的性能就越好。濾波器的功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號?？捎迷谛盘柼幚?、數據傳輸、抑制干擾等方面。這類濾波器主要優(yōu)點是：小型，價廉；不需要阻抗匹配且可具有一定的增益；抗干擾能力強；截止頻率低（可低至10-3Hz）。因受運算放大器的頻帶限制，主要用在超低頻至幾百千赫的頻率范圍。根據濾波器所能通過信號的頻率范圍或阻止

5、信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。 這里專門對二階有源帶阻濾波器進行研究。通過查找書籍和網上搜索常用的二階有源帶阻濾波器電路有兩種形式，一種是電壓控制電壓源（VcVs）有源二階帶阻濾波器電路，另一種是無限增益多路負反饋（MFA）有源二階帶阻濾波器電路。電壓控制電壓源電路，它的運放為同相輸入，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點。濾波電路相當于一個電壓源。其結構電路圖如下圖（a）所示，它的優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調節(jié)。無限增益多路負反饋電路，它的運放為反相輸入，輸出端通過C1、R1形成兩條支路。其電路結構圖如下圖（b）所示。他的優(yōu)點是電路具有倒相作用，使用元件較

6、少；缺點是調解增益時會對參數有影響。(a)電壓控制電壓源電路(b)無限增益多路負反饋電路、相關概念1、有源濾波電路：若濾波電路含有有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成，成為有源濾波電路。2、有源濾波器：有運算放大器和阻容元件組成的選頻網絡。用于傳輸有用頻段的信號，抑制或衰減無用頻段的信號。濾波器階數越高，性能越逼近理想濾波器特性。3、濾波器階數：在分析有源濾波電路時，一般通過“拉氏變換”，將電壓與電流變換成“像函數”U(s)和I(s)。R(s)=R，Zc(s)=，ZL(s)=SL。輸出量與輸入量之比稱為傳遞函數，即。在傳遞函數中，分母中S的最高指數稱為濾波器的階數。4、低通濾波器（LP

7、F）：低通濾波器是一種用來傳輸低頻段信號，抑制高頻段信號的電路。當信號的頻率高于某一特定的截止頻率時，通過該電路的信號會被衰減（或被阻止），而低于的信號通過該濾波器。5、高通濾波器（HPF）：高通濾波器是一種用來傳輸高頻段信號，抑制或衰減低頻段信號的電路。當信號的頻率低于某一特定的設截止頻率時，通過該電路的信號會被衰減（或被阻止），而高于時，信號可以通過該濾波器。6、帶阻濾波器（BEF）：帶阻濾波器是可以用來抑制或衰減某一頻段信號，并讓該頻段以外的所有信號都通過的濾波器。即設低頻段截止頻率為，高頻段截止頻率為，則頻率低于或高于的信號可以通過，而頻率是在到之間的信號會被衰減。7、阻帶寬度：高頻段

8、截止頻率與低頻段截止頻率之差，計為BW=。8、通帶放大倍數：實際中，濾波器的幅頻特性可分為通帶（能夠通過的信號頻率范圍）、過渡帶與阻帶（阻止信號通過的頻率范圍）。稱通帶中輸出電壓與輸入電壓之比為通帶放大倍數。、電路設計思路要完成濾波器的實際任務，就是要根據所要求的指標，先確定電路形式，我選擇的是電壓控制電壓源電路來實現設計要求。大致步驟為：1、據所要求的指標，確定電路形式；2、列寫電路傳遞函數，計算電路中各元件參數；3、分析和檢查元件參數的誤差項，進行復算，看是否滿足設計指標,若滿足，就進行實驗定案；若不滿足要重新設計，直至達到設計指標為止。、二階有源帶阻濾波器的設計原理根據對低通濾波器和高通

9、濾波器功能的分析可知，當將低通濾波電路與高通濾波電路并聯時，設低通濾波截止頻率為，高通濾波截止頻率為。則輸入信號頻率低于的從低通濾波支路到達輸出端，高于的從高通濾波支路到達輸出端。而若，那么原輸入信號中頻率介于和之間的信號就會被濾掉無法在輸出端獲得。這就構成了帶阻濾波器，即將低通濾波電路與高通濾波電路并聯，且低通濾波截止頻率低于高通濾波截止頻率就可構成帶阻濾波器。為了使負載不影響濾波器的濾波特性，可在無源濾波電路與負載之間加一個高輸入電阻低輸出電阻的隔離電路。而在理想運放的條件下，同相比例運算放大電路就具有“高輸入電阻，低輸出電阻（輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零）”的特點。取最簡單的電壓跟隨器

10、，如圖（c）。,僅決定于RC的值，故在集成運放功耗允許的情況下，負載變化，放大倍數的表達式不變，因此頻率特性不變。這樣將已構成的帶阻濾波電路與同相比例運算放大器相連接就可構成有源帶阻濾波器。當所選用的低通濾波電路與高通濾波電路是二階的時，構成的有源帶阻濾波器就是所謂的二階有源帶阻濾波器(b)有源濾波電路、設計方案根據低通濾波電路和高通濾波電路的濾波特性，可知，將低通濾波電路和高通濾波電路并聯，且低通截止頻率低于高通截止頻率就可以得到帶阻濾波器LPF求和電路HPF帶阻濾波器的方框圖圖1-1（a）是無源低通濾波電路，圖1-1（b）是無源高通濾波電路，圖1-1（c）是無源帶阻濾波電路。將無源帶阻濾波

11、電路與同相比例放大電路相連，便可構成有源帶阻濾波電路。+(c)(a)(b)圖1-1 無源帶阻濾波電路的形成 、各功能模塊的劃分、組成與功能根據之前的分析與其確定的電路，我們將待設計的電路劃分成三部分，即三個功能塊。第一塊是二階無源低通濾波電路，由RC組成，實現的功能是將輸入信號中低于某一截止頻率的信號濾除。第二塊是二階無源高通濾波電路，由RC組成，實現的功能是將輸入信號中高于某一截止頻率的信號濾除。第三塊是同相比例運算放大器，是集成運放電路，實現的功能是將無源濾波電路與負載隔離，使濾波器的濾波特性不受負載變化的影響，并有一定的放大作用。、總體方案的可行性證明輸入信號經過截止頻率為的二階無源低通

12、濾波電路和截止頻率為高通濾波電路（）就能將寬度范圍內的信號抑制或衰減，實現帶阻濾波的功能。而同相比例運算放大電路的存在則實現了濾波器的無源變有源，又因為無源低通與高通電路都是二階的，能實現整體電路的二階濾波特性。故設計的這個電路能滿足設計要求，實現二階有源濾波的功能。、列寫電路傳遞函數及相關方程用節(jié)點電流法分別對圖1-2所示電路的a點、b點列方程可得： （1-1） （1-2） 又因為集成運放同相輸入端的電流為零，因而可得： （1-3）而與的關系為： （1-4）將式（1-1） 式（1-4）聯立求解，可得圖1-2所示電路的電壓放大倍數為： （1-5）由式（1-5）可分析得之，當或時（設集成運放是理

13、想的），為最大，并且，可見通帶電壓放大倍數為： （1-6）令，并將式（1-6）帶入式（1-5），可得： （1-7）由式（1-7）可知，當時的模最小，其值為零，因而圖1-2電路的中心頻率就為。將式（1-7）變形為： (1-8)因此通帶截止頻率可由下式求得： （1-9）解上式可得上下限截止頻率為： （1-10） （1-11）由上兩式可得圖1-2的阻帶寬度為： （1-12）值為： （1-13）將式（1-13）代入式（1-8）可得： （1-14）、電路工作過程將一變化的信號從輸入端輸入，輸入的信號會在由低通濾波電路與高通濾波電路并聯組成的電路里經過，設低通濾波截止頻率為，高通濾波截止頻率為。則在低通濾

14、波器組成的支路中，輸入信號頻率低于的可以通過電路到達輸出端，而高于頻率的信號則會被抑制或衰減而不能通過。在高通濾波器組成的濾波電路中，輸入信號頻率高于的可以通過該支路到達輸出端，低于的則會被抑制或衰減不能通過。在并聯電路的輸出端兩支路的輸出信號會疊加，而從設計的電路可以求出，那么原輸入信號中頻率介于和之間的信號就會被抑制或衰減，無法在輸出端獲得或只會得到衰減了的、干擾性不強的信號，實現帶阻濾波。2、單元電路設計與分析設計中用到的濾波器是以RC濾波電路為基礎的。通過對待設計的二階有源帶阻濾波電路要實現的功能及幅頻、相頻特性的分析發(fā)現，帶阻濾波電路可以通過用高通濾波電路與低通濾波電路相并聯得到。根

15、據高通濾波電路與低通濾波電路的濾波特性和并聯電路的特征，在選擇低通濾波電路和高通濾波電路時要考慮到它們各自的截止頻率，要使低通濾波截止頻率低于高通濾波截止頻率，這樣在信號通過并聯電路后就能實現帶阻濾波功能。我們選擇的濾波電路是由RC構成的比較簡單的無源低通濾波器和無源高通濾波器。為了達到頻率要求，兩個電路的參數設定如下圖所示。圖1-4（a）為二階無源低通濾波電路，1-4（b）為二階無源高通濾波電路。將二階無源低通濾波電路與二階無源高通濾波電路并聯得到的二階無源帶阻濾波電路如圖1-4（c）所示。將無源濾波器變?yōu)橛性礊V波器的方法是在電路中加上有源器件。設計中用的是同相比例放大電路，在理想情況下，同

16、相比例運算放大電路具有輸入電阻無窮大，輸出電阻為零的特點，能很好的將無源濾波電路與負載隔離，使電路的濾波特性不受負載變化的影響，并且對并聯電路的輸出信號具有一定的放大作用。設計選用的同相比例運算放大電路如圖1-4（d）所示。利用無源LPF和HPF并聯構成無源帶阻濾波電路，然后接同相比例運算電路，從而得到有源帶阻濾波電路，如圖1-4（e）所示。由于兩個無源濾波電路均由三個元件構成英文字母T，故稱之為雙T網絡。 圖1-4（a）二階無源低通濾波電路圖1-4（b）二階無源高通濾波電路圖1-4（c）二階無源帶阻濾波電路圖1-4（d） 同相比例運算放大電路圖1-4（e） 二階有源帶阻濾波電路工作原理分析：

17、電路工作時，輸入信號由輸入端經過低通和高通濾波器并聯的濾波電路，低通和高通濾波電路會對輸入信號進行處理，使得高于或低于其截止頻率的信號被抑制或衰減，在并聯電路的輸出端，經過低通濾波的信號和經過高通濾波的信號疊加輸出。在兩路濾波器中都被抑制或衰減的信號在輸出端就無輸出或輸出被衰減了的信號，實現帶阻濾波。四、心得體會為期兩星期的課程實習終于結束了, 通過在圖書館，網上查閱有關資料，了解了濾波技術的起源和發(fā)展，并且加深了對有源濾波器的原理及功能的理解。這兩星期我學會了發(fā)現問題后如何思考解決問題。從一開始的設計方案、設計過程和報告書寫等方面，老師和同學的指點給了我莫大的幫助，從而我的設計能夠完成。在完

18、成有源帶阻濾波器這個課題后，我對濾波器的實際應用更加了解了。 在這次課程設計中我學到了很多知識，跨越了傳統方式下的教與學的體制束縛，在設計過程中通過查閱資料和搜集有關的文獻培養(yǎng)了自學能力和動手能力。并且由原來的被動的接受知識轉換為主動的尋求知識這可以說是學習方法上的一個很大的突破。在以往的傳統的學習模式下我們可能會記住很多的書本知識，但是通過課程設計學會了如何將學到的知識轉化為自己的東西，學會了怎么更好地處理知識和實踐相結合的問題。 五、致謝濾波技術是一項專業(yè)技術，它涉及到本專業(yè)的諸多課程。通過這次設計我對自己所學的基礎理論、專業(yè)基礎知識和基本技能有了一定的認知，極大的鍛煉的我的各項能力。重點鍛煉了分析與解決實際問題的能力，同時這次課程設計在查資料的時候學到了很多新的知識，更重要的是我自學和思考的能力得到了很大的提高，這根老師給我的知道是分不開的。這次設計是在黃老師的悉心指導下完成的，老師嚴謹求實的治學態(tài)度、和樸實作風使我受益匪淺。在此向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！在設計中，還得到了其他