有源濾波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第15頁共16頁信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)設(shè)計(jì)(論文)題目:有源濾波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè):通信技術(shù)班級:通技06-2學(xué)號:0620049姓名:指導(dǎo)教師:二ΟΟ八年十二月三十日職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名班級通技06-2專業(yè)通信技術(shù)設(shè)計(jì)（或論文）題目有源濾波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名職稱工作單位及所從事專業(yè)聯(lián)系方式備注講師四教師15高級工程師技股份有限公司設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容：介紹幾種多種信號發(fā)生電路的設(shè)計(jì)方案，論證其性能的優(yōu)劣。要求本設(shè)計(jì)有如下要求：[1]設(shè)計(jì)二階有源低通濾波器，要求截止頻率fH=1000Hz；[2]設(shè)計(jì)二階有源高通濾波器，要求截止頻率fL=20Hz；[3]設(shè)計(jì)二階有源帶通濾波器，要求截止頻率f0=1000Hz；[4]設(shè)計(jì)二階有源帶阻濾波器，要求截止頻率f0=50Hz（選作）。進(jìn)度安排：第一階段（2008.09~2008.10）：完成資料的收集；第二階段（2008.10~2008.11）：完成硬件設(shè)計(jì),即完成單元電路及總電路圖的設(shè)計(jì)和工作原理的敘述，電路性能指標(biāo)的驗(yàn)算；第三階段（2008.11~2008.12）：進(jìn)行調(diào)試、仿真，編寫報(bào)告準(zhǔn)備答辯。主要參考文獻(xiàn)、資料(寫清楚參考文獻(xiàn)名稱、作者、出版單位)：[1]謝自美．電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試．武漢：華中科技大學(xué)出版社．2006

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16四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第14頁共16頁摘要有源濾波器是一種使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制或有效衰減無用頻率信號的電子裝置，工程上常用它進(jìn)行信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。有源一般由集成運(yùn)放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分為高通濾波器，低通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器等類型。在設(shè)計(jì)將介紹這四個(gè)源濾波器的波形特征及設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞有源濾波器；波形特征；集成運(yùn)放第1章設(shè)計(jì)任務(wù)分析方案要求：利用教材中有源濾波器理論知識(shí)，并查閱必要的資料，設(shè)計(jì)低通、高通、帶通和帶阻有源濾波器。有源濾波器快速設(shè)計(jì)方法具有計(jì)算簡單、元器件少、電路調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。通過這次設(shè)計(jì)，要求掌握最基本的二階濾波器設(shè)計(jì)方法與性能參數(shù)測試技術(shù)，并具備設(shè)計(jì)高階濾波器的能力。1.1題目分析濾波器是一種只傳輸指定頻段信號，抑制其它頻段信號的電路。濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種：①無源濾波器：由電感L、電容C及電阻R等無源元件組成；②有源濾波器：一般由集成運(yùn)放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖。作用：利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號處理從功能來上有源濾波器分為：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、其中前四種濾波器間互有聯(lián)系，LPF與HPF間互為對偶關(guān)系。當(dāng)LPF的通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率時(shí)，將LPF與HPF相串聯(lián)，就構(gòu)成了BPF，而LPF與HPF并聯(lián)，就構(gòu)成BEF。在實(shí)用電子電路中，還可能同時(shí)采用幾種不同型式的濾波電路。濾波電路的主要性能指標(biāo)有通帶電壓放大倍數(shù)AVP、通帶截止頻率fP及阻尼系數(shù)Q等。1.2給定條件分析二階低通濾波器：截止頻率、增益為：；二階高通濾波器：截止頻率、增益為：；二階帶通濾波器：中心頻率、增益為：、；二階帶阻濾波器：中心頻率、增益為：、。1.3工作原理分析有源濾波器是指利用放大器、電阻和電容組成的濾波電路，其功能是使一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率以外的信號?？捎迷谛畔⑻幚?、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，這種濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同，可分為低通、高通、帶通和帶阻四種濾波器。它們的幅頻特性如圖1-1所示：（a）低通（b）高通（c）帶通（d）帶阻圖1-1濾波器的幅頻特性低通濾波器：它的功能是通過從零到某一截止角頻率的低頻信號，而對大于的所有頻率則完全衰減，其帶寬。高通濾波器：在范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于的頻率為通帶。理論上說，它的帶寬，但實(shí)際上，由于受有源器件帶寬的限制，高通濾波電路的帶寬也是有限的。帶通濾波器：為其低邊截止角頻率，為其高邊截止角頻率，為中心角頻率，它有兩個(gè)阻帶：和，其帶寬為。帶阻濾波器：它的功能是衰減到間的信號，它有兩個(gè)通帶，及，一個(gè)阻帶，同理，由于受有源器件帶寬的限制，通常也是有限的。第2章方案設(shè)計(jì)2.1巴特沃思濾波器的選取具有理想的幅頻特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的。如要同時(shí)在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都滿足要求就更加困難了。如要同時(shí)在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都滿足要求就更加困難了。因此，一般有源濾波器的設(shè)計(jì)，是根據(jù)所要求的幅頻和相頻響應(yīng)，尋找可實(shí)現(xiàn)的有理函數(shù)進(jìn)行逼近設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的近似理想特性。常用的逼近方法是巴特沃思（Butterwoth）最大平坦響應(yīng)、切比雪夫（Chebysher）等波動(dòng)響應(yīng)及貝賽爾（Bessel）函數(shù)等。利用它們設(shè)計(jì)的濾波器，各有不同的特點(diǎn)。巴特沃思濾波器：這是一種幅度平坦的濾波器，即其幅頻響應(yīng)從零到衰減3dB的截止頻率ωc處幾乎是完全平坦的，但在截止頻率附近有蜂起，對階躍響應(yīng)有過沖和振鈴現(xiàn)象，過渡帶以中等速度下降，下降為－6ndB/十倍頻（n為濾波器的階數(shù)），有輕微的非線性相頻響應(yīng)，適用于一般的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器：這種濾波器在通帶內(nèi)存在等紋波動(dòng)，而衰減度比同階數(shù)的巴特沃思濾波器大，寬的通帶波紋容限增大了其傳輸帶衰減速率，但相位響應(yīng)畸變較大，適用于需要快速衰減的場合，如信號調(diào)制解調(diào)電路。貝賽爾濾波器：這種濾波器的相位響應(yīng)較平坦，但其幅頻響應(yīng)衰減過早，對階躍響應(yīng)過沖極少，有最少的時(shí)間延遲特性，下降陡度差，適用于傳遞脈沖型的波形信號，能把過沖或振鈴現(xiàn)象抑制到最小，也可用于相敏信號處理。常用于要求波形失真小的傳送系統(tǒng)中。經(jīng)分析選擇巴特沃思濾波器。2.2電壓控制電壓源（VCVS）電路的選取實(shí)現(xiàn)二階濾波器傳輸函數(shù)的常用電路有電壓控制電壓源（VCVS）電路和無限增益多路反饋（MFB）電路。電壓控制電壓源（VCVS）電路：電壓控制電壓源電路中的集成運(yùn)放為同相輸入接法，因此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，故稱這種電路為電壓控制電壓源電路，其優(yōu)點(diǎn)是：電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路反饋（MFB）電路：無限增益多路反饋電路中的集成運(yùn)放為反相輸入接法，由于放大器的開環(huán)增益為無限大，反相輸入端可視為虛地。其優(yōu)點(diǎn)是電路有倒相作用，使用元件較少，但增益調(diào)節(jié)不太方便，并且對其性能參數(shù)會(huì)有影響，故應(yīng)用范圍比VCVS電路要小。經(jīng)分析選取電壓控制電壓源（VCVS）電路。第3章各種濾波器電路的設(shè)計(jì)3.1VCVS二階低通濾波器設(shè)計(jì)圖3-1VCVS二階低通濾波器低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。如圖3-1所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。信號從運(yùn)放的同相端輸入，故濾波器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，運(yùn)放A和R3、Rf組成電壓控制的電壓源，因此稱為壓控電壓源LPF。優(yōu)點(diǎn)是電路性能較穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。這種濾波器的傳遞函數(shù)為：式中，由于s為二次冪，故稱為二階LPF。其中，截止頻率為：即：通帶增益為：Q稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，由以上四式可知，當(dāng)按比例調(diào)節(jié)R1、R2或C1、C2時(shí)，可以改變的值，但對Q和Auo的值沒有影響，為了使幅頻特性不出現(xiàn)凸峰，Q通常取0.7。3.2VCVS二階高通濾波器設(shè)計(jì)圖3-2VCVS二階高通濾與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。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。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性越接近理想高通特性。只要將圖3-2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3-2所示。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。該電路的傳遞函數(shù)為：其中：3.3VCVS二階帶通濾波器設(shè)計(jì)圖3-3VCVS二階帶通濾波器這種濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。帶通濾波器用來使某頻段內(nèi)的有用信號通過，而將高于或低于此頻段的信號衰減。帶通濾波器可用低通和高通濾波器串聯(lián)而成，如果使兩者的頻率覆蓋同一頻段，則頻率在該頻段內(nèi)的信號能夠通過濾波器，而頻率在該頻段外的信號將被衰減，這樣就構(gòu)成了帶通濾波器。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成，如圖3-4所示。該電路的傳輸函數(shù)為：其中：是中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)。式中帶通濾波器通帶中心的角頻率：通帶的帶寬BW定義為中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)Auo下降到0.707Auo時(shí)所對應(yīng)的頻率差，即：或。Q為有源帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)，定義為：其大小表征著帶通濾波器的選擇性，Q值越大，選擇性越好。3.4VCVS二階帶阻濾波器設(shè)計(jì)圖3-4VCVS二階帶通濾波器這種電路的性能和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級同相比例運(yùn)算電路就構(gòu)成了基本的二階有源BEF。帶阻濾波器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。帶阻濾波器可由低通和高通濾波器并聯(lián)而成，兩者對某一頻段均不覆蓋，形成帶阻頻段。該電路的傳輸函數(shù)為：式中：是通帶的電壓放大倍數(shù)。阻帶的中心角頻率：阻帶的中心頻率：品質(zhì)因數(shù)：第4章各部分定性說明以及定量計(jì)算4.1VCVS二階低通濾波器誤差分析時(shí)，取C=0.01μF，對應(yīng)的參數(shù)K=10。時(shí)，電容C1=2C=0.02μF；K=1時(shí)的電阻：R1=0.824，R2=1.537，R3=3.148，R4=9.444。將上述電阻值乘以參數(shù)K=10得：R1=8.24，取標(biāo)稱值8.2；R2=15.37，取標(biāo)稱值15R3=31.48，取標(biāo)稱值30；R4=94.44，取標(biāo)稱值91，，4.2VCVS二階高通濾波器誤差分析時(shí)，取C=0.2μF，對應(yīng)的參數(shù)K=2.5。時(shí)，電容C1=C=0.2μF；K=1時(shí)的電阻：R1=2.592，R2=0.977，R3=1.303，R4=3.910。將上述電阻值乘以參數(shù)K=2.5得：R1=6.48，取標(biāo)稱值6.2；R2=2.4425，取標(biāo)稱值2.4R3=3.2575，取標(biāo)稱值3.3；R4=9.775，取標(biāo)稱值10，，4.3VCVS二階帶通濾波器誤差分析時(shí)，取C=0.02μF，對應(yīng)的參數(shù)K=5。Q=6，得，K=1時(shí)的電阻：R1=4.775，R2=2.684，R3=1.176，R4、R5=5.368。將上述電阻值乘以參數(shù)K=10得：R1=23.875，取標(biāo)稱值24.9；R2=13.42，取標(biāo)稱值13.3R3=5.88，取標(biāo)稱值5.9；R4、R5=26.84，取標(biāo)稱值27.4，，4.4VCVS二階帶阻濾波器誤差分析Q≥8，Av≥1的電路應(yīng)是無限增益多路反饋二階帶阻濾波（陷波）器，取Q=8。時(shí)，取，對應(yīng)的參數(shù)K=10。K=1時(shí)的電阻：R1=1.6，R3=R4=1.59，R2=R3/2=0.795。將上述電阻值乘以參數(shù)K=10得：R1=16，取標(biāo)稱值16；Rf=15，取標(biāo)稱值15R3=R4=15.91，取標(biāo)稱值16≈2=49.736Hz 總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對濾波電路理論知識(shí)有了更深一層次的理解。對以前的書本知識(shí)學(xué)習(xí)有了一個(gè)很好的補(bǔ)充。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中，我們查閱了很多相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，這也是體現(xiàn)我們能力的時(shí)候。在查閱資料時(shí)，也對相關(guān)的技術(shù)知識(shí)做了了解。設(shè)計(jì)也是課外實(shí)踐的一種形