《二階壓控型低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《二階壓控型低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設計（20頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、東北石油大學課 程電子線路綜合課程設計題目有源濾波器設計院系電子科學學院專業(yè)班級電子信息工程14-3學生姓名 陳忠聽學生學號140901140308指導教師韓正2016年7月14日東北石油大學課程設計任務書課程電子線路綜合課程設計題目有源濾波器設計專業(yè) 電子信息工程14-3 姓名 陳忠昕 學號140901140308主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：利用運算放大器組成有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器?；疽螅? .通頻帶自定義；2 .測量設計的有源濾波器的幅頻特性；3 .選用通用運算放大器，運放的開環(huán)增益應在80dB以上；4 .采用Multisim軟件進行仿真，驗證和完善設計方案；
2、5 .按要求完成課程設計報告，交激光打印報告和電子文檔。主要參考資料：1童詩白.模擬電子技術基礎（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.2陳明義.電子技術課程設計實用教程（第3版）M.長沙：中南大學出版社，2010.3程春雨.模擬電子技術實驗與課程設計M.北京：電子工業(yè)出版社，2016.完成期限 2016年7月14日指導教師專業(yè)負責人2016年7月5日一、任務技術指標1 .二階壓控型有源低通濾波器（LPF）設計一個二階壓控型有源低通濾波器，要求特征頻率f0=100kHz, Q=1；2 .二階壓控型有源高通濾波器（HPF設計一個二階壓控型有源高通濾波器，要求特征頻率fo=100Hz, Q=
3、1;3 .二階壓控型有源帶通濾波器（BPF3設計一個二階壓控型有源帶通濾波器，要求中心頻率為fo=5KHz, Q=2;4 .二階壓控型有源帶阻濾波器設計一個二階壓控型有源帶阻濾波器，要求中心頻率為fo=100Hz, Q=2;二、總體設計思想設計濾波電路實現(xiàn)，讓指定頻段的信號能比較順利地通過，而對其他頻段信號起衰減作 用。如低通濾波電路能使低頻信號順利通過， 而使高頻信號受到抑制。常見的無源濾波有RC 濾波，但RC濾波電路中的電阻會消耗信號能量，所以我們用放大電路和RC網(wǎng)絡組成有源濾波電路，以提高濾波性能。1. 二階壓控型有源低通濾波器（LPF）Uo（s）I圖1-二階壓控型有源低通濾 波器電將簡
4、單二階有源低通濾波電路中 C1的接地端改接到集成運放的輸出端，形成反饋。 如圖1所示，對于反饋信號而言，電容 C1具有超前作用，而電容C2=具有滯后作用。因 此只要參數(shù)合適，可使該電路在f0附近的反饋極性為正，又不致造成自激振蕩，從而使 f0附近的電壓放大倍數(shù)得到提高。當ffo時信號被C2衰減，輸出電壓的幅值小，反饋信號弱，對電壓放 大倍數(shù)影響也不大。1）通帶電壓放大倍數(shù)而對于直流信號而言，電路通帶電壓放大倍數(shù)是f=0時輸出電壓與輸入電壓之比Rf中的電容相當于開路，因此通帶電壓放大倍數(shù)Aup =1 +Ri2)傳遞函數(shù)集成運放同相輸入端的對地電壓與輸出電壓的關系是u+=Uo(s)( II), u
5、+(s)Aup1與M點的電位關系是 U +(s) =Um (s) ( III ),1 sCRUi(S) -Um (S)UM(S)- U (S)由下點電流法可得 -UM(S)-Uo(S)sC =0 (IV),RR將(I) (II) (III)式聯(lián)立求解，可以得到傳遞函數(shù)Au(S)=Ap2 (V)。1 (3-Aup)sCR (sCR)該式表明此電路的通帶電壓放大倍數(shù)應該小于3,否則Au(S揩有極點處于右半s平面或虛軸上，電路不能穩(wěn)定工作。若希望Aup3,可采用二階無限增益多路反饋LPF。3)頻率特性將傳遞函數(shù)中的 S換成j，并令 00 = 2nf o則有 Au =Ap- 0f 2fRC1-(f )
6、j(3-Aup),f 0f 0當=加時可化簡為Au=Ap (VI)。j(3-Aup)2. 二階壓控型有源高通濾波器(HPE有源高通濾波器與有源低通濾波器成對偶關系，如圖2所示二,CUo(S) Ui(S)工；R-Ui(S)圖2-HPF和LPF的對偶關系示意圖幅頻特性曲線、傳遞函數(shù)與LPF成對偶關系。若HPF和LPF的通帶截止頻率相同,那么HPF和LPF的幅頻特性以垂直線f=fp為對稱，二者隨頻率的變化是相反的，HPF的1|Au|隨頻率升高而增大。將LPF傳遞函數(shù)中的s換成,，調(diào)整一下系數(shù)，則變成了相應的sHPF的傳遞函數(shù)。所以，可以得到1)通帶電壓放大倍數(shù)當頻率足夠高時，電容C1和C2可視為短路
7、，因此HPF的通帶電壓放大倍數(shù)為RfAup =1 +R12)傳遞函數(shù)根據(jù)對偶關系，將LFP傳遞函數(shù)中的sCR換為，則得到HPF的傳遞函數(shù)sCRAupAu二1廠，1 (3 - Aup)()sCR sCR整理得Au(S)V2(sCR) Aup1 (3-Aup)sCR (sCR)2 3)頻率特性將 Au(S)二1 (3 - Aup)Aup1一(一,sCR sCR1方中的s換成j，并令0 = 2才0 =,)2RC則有AupAu =7i0f 02f01 -()j(3-Aup)-ff否則所以ff0時幅頻特性的斜率為+40dB/十倍頻。通帶電壓放大倍數(shù)應小于 3, 將引起自激振蕩。3. 二階壓控型有源帶通濾
8、波器(BPF3圖4 -二階壓控型有源帶通濾波器簡單的BPF可以由LPF和HPF串聯(lián)構成，只需滿足 LPFd通帶截止頻率高于 HPF的通帶截止頻率。這樣構成的 BPF通帶較寬，通帶截止頻率容易調(diào)整，但所用的元器件較多。在二階LPF電路中，RC網(wǎng)絡是由兩節(jié)RC組成的，若將其中一階RC電路改為高 通接法，就構成了二階BPF。1)傳遞函數(shù)RfUo(s) =(1)U (s)RisCR2U (s)2Um (s)1 sCRUM (s) -Uo(s)八jj o 0R3Ui(s)-UM(s)-UM(s)sC-4sCR-1 R2，且 R2=2R=2Ri 則 Au(s)=sCR*Auf 2，其中，Auf=1+Rf1
9、 (3-Auf)sCR (sCR)Ri2)中心頻率和通帶電壓放大倍數(shù)1將傳遞函數(shù)中的 S換成 jcD, 并令f0=, 則可得*A)3-Auf2 二 RCA1Au 二1r1 J (. AufAup = o3-Auf3-Auf f 0當=%時，Au的模最大，此時有中心頻率fo,通帶電壓放大倍數(shù)為注意：BPF中，通帶電壓放大倍數(shù)不等于同相比例電路的電壓放大倍數(shù)。3)通帶截止頻率將當Au =. 2(2-Aup)sCR (sCR)3）中心頻率 ,Auf中第一項分母的虛部系數(shù)的絕對值等于11 .j,(f 上)3-Auf3-Auf fo f1時，| Au | =Aup,所以通帶截止頻率fp可根據(jù)下式導出：2
10、|1( fp 一 f)| = 1,得到 fp=12. (3 Auf)2 4 . (3-Auf)3 - Auf f o fp2 4)通帶寬度B、Q值和頻率特性Rff o 1BPF 的通帶寬度 B= fp2-fp1 =(3-Auf) f o = (2-)fo ,那么可得 Q = =,R1B 3-Auf頻率特性& =1Aup 1 JQ(f-f0) f o f上面一段話表明，改變電阻 Rf或R1可以改變通帶寬度而不影響中心頻率，Q值越大，BPF的通帶寬度越窄，選擇性越好。4.二階壓控型有源帶阻濾波器(BEF3從幅頻特性可知，LPF和HPF相并聯(lián)可以構成BEF,但這樣并聯(lián)比較困難且元器 件過多，于是我們
11、常先將兩 RC網(wǎng)絡(無源低通濾波和無源高通濾波)并聯(lián)構成無源帶 阻濾波器，然后將其與集成運放構成有源 BEF,又被稱為雙T網(wǎng)絡。-Ua(s) -U (s)sC -0將傳遞函數(shù)中的s換成j，1并令coo=2nfo= RC圖5-二階壓控型有源帶阻濾 波器1）通帶電壓放大倍數(shù)當頻率足夠高或等于0時，BEF的電壓放大倍數(shù)就是通帶電壓放大倍數(shù)，為A / RfAup =1 十 ;Ri2）傳遞函數(shù)根據(jù)a,b處的節(jié)點電流法可得Ua(s) Uo( s)U i(s) - U a(s) sC - i - RUi-Ub一Ub（s）*2sC-Ub-U *=0 ,輸入端電流可視為零，所以輸入端電容和電阻RR中的電流相等，
12、有Ua（s）U Vs）sC=UUb，R1又因為U蟲）=Uo（s）,將上述四個等式聯(lián)立求解可得該電路傳遞函數(shù)為 Aup2Au(s)Aup o1 (sCR) Z_Z2 1f 21-( f )Auf * Aupf0f 0f 21 + j2(2 - Aup) f o當二八時，Au的模最小，值等于零。4）通帶截止頻率及阻帶寬度根據(jù)化簡傳遞函數(shù)得|2（2刖）72| = 1,解得兩截止頻率fo2 - fp2fp1 = (2 - Aup)2 1-(2 - Aup) fofp2 = (2 - Aup)2 1(2 - Aup) f 0得到阻帶寬度 B-fp2 -fp1-2(2-Aup)f0三、具體設計1 .設計電
13、路1）二階壓控型有源低通濾波電路設計函數(shù)發(fā)生器-XFG1波彤信號選項- XBP1圖6 - LPF電路圖9-BPF電路電路中，由R和C確定特征頻率fo的值，而通帶電壓放大倍數(shù) Aup的值由Ri和 Rf確定。此外，電路還應滿足集成運放兩個輸入端外接電阻的對稱條件 Ri/Rf =R2+R3 = 2R；要求特征頻率 fo=100kHz, Q=1 。1先選擇C=10nF,則由fo =可得R=159.16?,則取R=160?。已知通帶電壓2 二 RC放大彳數(shù) Aup=2,聯(lián)立 R1/Rf =R2 + R3 = 2R和公式 Aup=1 + ,可以解得 R1=Rf=640?。R1于是根據(jù)以上參數(shù)在 multi
14、sim上仿真電路，電路圖如圖6所示：2）二階壓控型有源高通濾波電路設計1先選擇 C=10nF, WJ由 fo=可得 R=159154.943? , WJ取 R=159k?。已知 Q=1,2 二 RC吉通KXFO1. 1 I -AW- 1C0R-Wz1600Rf則通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2,聯(lián)立R1/Rf =2 + 3 = 2和公式Aup=1+,可以解得R1R1=Rf =636k?。于是根據(jù)以上參數(shù)在 multisim上仿真電路，電路圖如圖7所示：3)二階壓控型有源帶通濾波電路設計要求中心頻率為5KHz, Q=2的帶通濾波器。先選擇1C=100nF,則根據(jù) f0=12 二 RC1 一一 一 Q
15、= = 2,則慶=2.5 ,代3 - Auf= 1.6kQ,R = 1.0kQ ,串聯(lián)一個可得R=318.310?,取R=318?。再計算Ri和Rf的值,、Rf入Aup=1+,再聯(lián)立R1/Rf = R2 = 2R ,貝U可選取RfR1R4=2R-(Ri/Rf )=0.6?以滿足對稱條件以上參數(shù)在 multisim上仿真電路，電路圖如圖 8 所示：4)二階壓控型有源帶阻濾波電路設計抑制一定范圍的交流干擾，要求BEF的中心頻率為fo=100Hz,選C=10uF,則根據(jù)1f0=可得 R=159.155?2 二 RCQ =1=2,則Aup =1.75 , 2(2 - Aup),取 R=160?Rf代入
16、Aup =1十R1再計算R1和Rf的值，,再聯(lián)立R1/Rf =2R ,則可選取+ 普通XBPi.；.5MO .-IC1 -L?5WIC2 XSC1.XFdi.-nr10pF：而；L-AMt-tteofiT一 - WuF- - - ： ： R3 ：tern 前- U11JVRf =560Q,Ri定750c 。仿真如圖9所示2.仿真及仿真結果分析1）二階壓控型有源低通濾波電路仿真及分析圖10 - LPF電路增益分析由圖10可知，電路增益約為2,達到要求。增益 8.298dB;當 f=fo=100.103kHz 時，增益為 4.701dB;當 f=f l=405.387kHz 時，增益 為-19.1
17、34dB。2）二階壓控型有源高通濾波電路仿真及分析 由圖12可知，電路增益約為2,達到要求。I + +T2 * *T2-T1時基希度:時間 6.000 s 9,001 s9W31B US500間蝕界搞位移（格）；0IWI添加B/A1,976 V1月甑V3.950 mV通道4,023 V5 V21.64B mV通酎A刻度：|】電DM 丫軸位移（格】二0I交流I 0直潴增益約為2通道8刻度：5 V/tnvY軸位段格）：口守將 Cl TS潛-反向保存外觸發(fā)勝魅邊沿:：7，國水平:B Ext庫茨1正常自動無圖12-HPF電路增益分析由圖13可知,當f=f0=5.106kHz時,增益為4.619dB;當
18、增益為0.7倍4.169dB時, 有 fH=264.46kHz 和 fL=83.034Hz。示選器-X5C1由圖14可知，電路增益約為2,達到要求。由圖15可知，當f0=5kHz時，增益為7.377dB;fp 二上J（3 _Auf）2 十4 （3 _ Auf）可知,fH-6.4kHz 時增益為 7.683kHz; fL=3.9kHz 24）二階壓控型有源帶通濾波電路設計由圖16可知，電路增益約為2,達到要求。示波器XSC1反向圖1.6.231 mV72-Ti外觸發(fā)圖16-BPF電路增益分析T1 + +T2 一時間 167309 S 1.67.47D S 951.705 16.5D9 V6.52
19、&V4.9Z6 V文丹95 -30.995 mV由圖17可知，當fo=100Hz時，增益為-31.894dB;當?shù)?28Hz時增益為1.919dB;fL=78Hz 時，增益為 1.715dB。四、結論濾波器是一種能夠使有用頻率信號通過，而同時抑制（或衰減）無用頻率信號的電子電路或 裝置，在工程上常用它來進行信號處理、數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。有源濾波器是由集成運放、R、C組成，其開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構成有源濾波電路后還具有 一定的電壓放大和緩沖作用，但因受運算放大器頻率限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。本次設計主要是在所學模擬電子技術基礎 、 數(shù)字電路基礎等專業(yè)知識的基礎上
20、研究和設計幾種典型的二階有源濾波電路：壓控型二階有源低通濾波電路、壓控型二階有源高通濾波電路、壓控型二階有源帶通濾波電路、壓控型二階有源帶阻濾波電路，研究和設計其電路結構、傳遞函數(shù)，并對有關參數(shù)進行計算，再利用 multisim 軟件進行仿真，組裝和調(diào)試各種有源濾波器，探究其幅頻特性。經(jīng)過仿真和調(diào)試，本次設計的二階有源濾波器各測量參數(shù)均與理論計算值相符，通頻帶的頻率響應曲線平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，衰減率可達到k40Db/10oct|,濾波效果很理想。四種有源濾波電路之間可以相互轉換，將 LPF 中起濾波作用的RC對調(diào)即變?yōu)镠PF,將LPF和HPF串聯(lián)，調(diào)整參數(shù)即為 BPF,將
21、LPF和 HPF 并聯(lián)則可得到 BEF 。參考資料1 童詩白 . 模擬電子技術基礎（第四版）M. 北京：高等教育出版社， 2006.2 陳明義 . 電子技術課程設計實用教程（第 3版） M. 長沙：中南大學出版社， 2010.3 程春雨 . 模擬電子技術實驗與課程設計M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2016.4 程勇 .實例講解Multisim 10 電路仿真 M. 北京：人民郵電出版社， 2010.5龔晶、劉斌、陳軍.RC有源濾波器實驗與仿真研究J.南京：解放軍理工大學理學院東北石油大學課程設計成績評價表課程名稱電子線路綜合課程設計題目名稱（學生填寫）學生姓名（學生填寫）學號（學生填寫）指導教 師姓名（學生填寫）職稱（學生填寫）在舁 廳P評價項目指標滿分評分1工作量、工作態(tài)度和出勤率按期圓滿的完成了規(guī)定的任務，難易程度和工作 量符合教學要求，工作努力，遵守紀律，出勤率 高，工作作風嚴謹，善于與他人合作。202課程設計質量課程設計選題合理，計算過程簡練準確，分析問 題思路清晰，結構嚴謹，文理通順，撰寫規(guī)范， 圖表完備止確。453創(chuàng)新工作中啟創(chuàng)新思識，對前人工作由一些改進或侶 一定應用價值。54答辯能止確回答指導教師所提出的問題。30總分評語：指導教師:2016年7月15日
二階壓控型低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設計
