有源濾波器設(shè)計(jì)

1、XXX畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告有源濾波器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名杜超超所 在 系電子信息工程系班 級(jí)五電0701班專 業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)指導(dǎo)教師XXX2011年10月20日摘 要 本設(shè)計(jì)利用模擬電路和數(shù)字電路相關(guān)知識(shí)，根據(jù)設(shè)定中心頻率，采用開(kāi)環(huán)增益80dB以上的集成運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)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(cè)量幅頻特性。通過(guò)仿真和成品調(diào)試表明設(shè)計(jì)的有源濾波器可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：1確定有源濾波器的中心頻率；2設(shè)計(jì)低通、高通、帶阻、帶通濾波器；3測(cè)量設(shè)計(jì)的有源濾波器的幅頻特性；4制作與調(diào)試關(guān)鍵詞：低通、高通、帶阻、帶通濾波器目 錄第1章 概 論11.1 選題

2、依據(jù)11.2 有源濾波器的發(fā)展概況及現(xiàn)狀11.3有源濾波器與無(wú)源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)21.4濾波器的分類21.5 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2第2章 有源濾波器的作用與結(jié)構(gòu)32.1 濾波器的基本概念32.2 各種濾波器的作用和結(jié)構(gòu)4低通濾波器(LPF)4高通濾波器（HPF）5帶通濾波器（BPF）5帶阻濾波器（BEF）6第3章 有源濾波器設(shè)計(jì)83.1低通濾波器設(shè)計(jì)8參數(shù)的計(jì)算8仿真及幅頻特性測(cè)量83.2 高通濾波器的設(shè)計(jì)9參數(shù)的計(jì)算9仿真及幅頻特性測(cè)量103.3帶通濾波器的設(shè)計(jì)10參數(shù)的計(jì)算10仿真及幅頻特性測(cè)量113.4 帶阻濾波器的設(shè)計(jì)12參數(shù)的計(jì)算12仿真及幅頻特性測(cè)量13第四章 制作與調(diào)試154.1制作1

3、54.2調(diào)試15低通濾波器調(diào)試15高通濾波器調(diào)試15帶通濾波器調(diào)試16帶阻濾波器的調(diào)試16第5章 總 結(jié)17致謝18參考文獻(xiàn)19附 錄20第1章 概 論1.1 選題依據(jù) 根據(jù)所學(xué)的專業(yè)和自己的愛(ài)好，采用數(shù)電、模電知識(shí)來(lái)完成有源濾波器的設(shè)計(jì)。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)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(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。1.2 有源濾波器的發(fā)展概況及現(xiàn)狀 1917年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無(wú)源濾波器日趨成熟。自60年代起由

4、于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)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(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開(kāi)關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來(lái)并得到應(yīng)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(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。我國(guó)廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展

5、，我國(guó)濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國(guó)際發(fā)展步伐，但由于缺少專門(mén)研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來(lái)，使得我國(guó)許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國(guó)際發(fā)展有一段距離。我國(guó)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(shè)備。從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無(wú)源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國(guó)各類濾波器的應(yīng)用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機(jī)械濾波器占15%；陶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(yīng)用比例來(lái)看，我國(guó)電子產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個(gè)重要課題。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來(lái)越高，功能也越

6、來(lái)越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。1.3有源濾波器與無(wú)源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)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)600千瓦。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

7、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)。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(hào)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(wú)源、異類三個(gè)分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個(gè)分類。實(shí)際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開(kāi)關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又

8、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(gè)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(shí)間選擇（例如PCM制中的話路信號(hào)）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3）按頻率通帶范圍分類-按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個(gè)類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因?yàn)樗兄芷谛缘耐◣Ш妥鑾А?.5 設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本次設(shè)計(jì)主要利用RC串并聯(lián)來(lái)組成各種頻率的濾波電路，必須實(shí)現(xiàn)低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波四項(xiàng)功能；要求選用放大增益大于80dB以上

9、的集成運(yùn)放 ；通頻帶自定義；電路實(shí)現(xiàn)后測(cè)量出各個(gè)濾波電路的頻率特性。第2章 有源濾波器的作用與結(jié)構(gòu)2.1 濾波器的基本概念由RC元件與運(yùn)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范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對(duì)頻率范圍的選擇不同，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(shí)現(xiàn)，只能用實(shí)際的幅頻特性逼近。一般來(lái)說(shuō)，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然

10、。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(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路調(diào)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(jí)聯(lián)實(shí)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(jié)構(gòu)低通濾波器(LPF)1. 低通濾波器特性低通濾波器是用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。如圖22（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)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

11、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(zhì)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(dāng) 時(shí)，Q>1，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(dāng) 3時(shí)，Q=，有源濾波器自激。由于將 接到輸出端，等于在高頻端給LPF加了一點(diǎn)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。 高通濾波器（HPF） 與低通濾波器相反，高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。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

12、。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)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(dāng) 時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為+40 dB/dec；當(dāng) 3時(shí)，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線，它與二階低通濾波器的幅頻特性曲線有“鏡像”關(guān)系。 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(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器

13、。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)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(zhì)因素： (2-7)此電路的優(yōu)點(diǎn)是改變和的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。 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)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(guò)（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過(guò)，如圖25（a）所示。在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級(jí)同相比例運(yùn)算電路就構(gòu)成了基本的二階有源BEF  (a)電路圖(b)頻率

14、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(zhì)因數(shù)： (2-11) 第3章 有源濾波器設(shè)計(jì)3.1低通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算設(shè)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 仿真及幅頻特性測(cè)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

15、.97，此時(shí)它所對(duì)應(yīng)的頻率為可以從圖3-3(b)中讀出為15.8KHz,即截止頻率，通過(guò)仿真表明該設(shè)計(jì)具有好的低通濾波特性。3.2 高通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算 設(shè)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高通濾波電路圖仿真及幅頻特性測(cè)量 圖3-5 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) 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(shí)候?yàn)?.9dB，從(b)中讀出它的截止頻率

16、約為1.59KHz,與我們?cè)O(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 參數(shù)的計(jì)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(shè)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(shè)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）、（2-3）得出 圖3-7 帶通濾波電路圖 仿真及幅頻特性測(cè)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范圍為1.58KHz-15.8

17、KHz。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(jié)果可以看出頻帶寬為1.57KHz-16.41KHz。3.4 帶阻濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算設(shè)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(yùn)放的對(duì)稱性,即，由公式（2-11）則，圖3-10帶阻濾波電路圖仿真及幅頻特性測(cè)量圖3-11 通帶時(shí)輸入、輸出波形其中曲線（1）表示輸出波形，曲線（2）

18、表示輸入波形。圖3-12 中心頻率時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)候，輸出波形約為輸入的0.1倍，達(dá)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(shí)對(duì)應(yīng)的增益為-12.58dB。第四章 制作與調(diào)試4.1制作 按照原理圖安裝元器件。4.2調(diào)試低通濾波器調(diào)試1.故障：在調(diào)試低通濾波電路時(shí)候，示波器起初沒(méi)有任何現(xiàn)象。2.分析：首先檢查

19、是否有電源輸入電壓，應(yīng)查集成運(yùn)放NE5532的4和8腳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有，說(shuō)明故障可能出現(xiàn)在供電電路，斷開(kāi)4和8腳，用萬(wàn)用表測(cè)量電源輸出端是否有輸出，測(cè)量出有電壓，說(shuō)明后面有短路或者是集成運(yùn)放壞，經(jīng)仔細(xì)檢查電路后，發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)線短路到地。3.解決：把導(dǎo)線移除，最后使電路恢復(fù)了正常。4.參數(shù)：實(shí)驗(yàn)電路如圖3-1（1）粗測(cè)：接通±12V電源。ui 接函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，令其輸入為Ui1V的正弦波信號(hào)，在濾波器截止頻率附近改變輸入信號(hào)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(yīng)排除電路故障。（2）在輸出波形不失真的條件下，選取適當(dāng)幅度的正弦輸入信號(hào)，在維持輸入信號(hào)幅度

20、不變的情況下，逐點(diǎn)改變輸入信號(hào)頻率。測(cè)量輸出電壓，記入表4-1中。表41 低通各點(diǎn)的輸出電壓值頻率f(Hz)800100001300020000輸出UO(v)1.61.51.20.01測(cè)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(shí)候?yàn)?.98dB，放大倍數(shù)與計(jì)算值幾乎相同約為1.58倍，此電路很成功。高通濾波器調(diào)試1故障：高通濾波電路在調(diào)試過(guò)程中一切正常。2. 參數(shù)：實(shí)驗(yàn)電路如圖3-4（1）粗測(cè)：輸入U(xiǎn)i1V正弦波信號(hào)，在濾波器截止頻率附近改變輸入信號(hào)頻率，觀察電路是否具備高通特性。（2）測(cè)出輸出電壓，記入表4-2。表42 高通各點(diǎn)的輸出電壓值頻率f(Hz)80

21、0130020003000輸出UO(v)0.50.81.51.578 測(cè)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(shí)候?yàn)?.98dB，放大倍數(shù)與計(jì)算值幾乎相同約為1.58倍，此電路很成功。帶通濾波器調(diào)試1.故障：帶通電路在調(diào)試過(guò)程中一切正常。2.參數(shù)：實(shí)驗(yàn)電路如圖（3-7），測(cè)量其頻率特性。記入表43。表43 帶通各點(diǎn)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范圍為1.58KHz-15.8KHz。帶通濾波電路BPF由一個(gè)HPF和LPF串聯(lián)而成，必須保證LPF的

22、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(shè)計(jì)的很接近，電路成功。帶阻濾波器的調(diào)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(xì)檢查了電路并沒(méi)有任何異常，懷疑是示波器的效果不怎么好，至與究竟是什么原因目前并沒(méi)有找到。 由于帶阻濾波器沒(méi)有很好的效果，在示波器上無(wú)法測(cè)量出它在不同的頻率對(duì)應(yīng)的不同輸出電壓值。第5章 總 結(jié)本次設(shè)計(jì)主要通過(guò)模擬電路和數(shù)電的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)出能夠通過(guò)低頻、高頻、通帶、阻帶的全能濾波器電路，其中又包括四部分電路，分別是低通濾波電路，高通濾波電路，帶通濾波電路和帶阻濾波電路。在整個(gè)電路中采用了兩塊集成運(yùn)放NE5532,它的放大增益大于100dB，與設(shè)計(jì)要求符合。低通和高通由兩級(jí)RC和集成運(yùn)放構(gòu)成，帶通和帶阻則是用低通和高通串并連構(gòu)成。在本次設(shè)計(jì)中低通、高通、帶通功能能夠?qū)崿F(xiàn)，遺憾的是