二階有源濾波器設(shè)計實驗報告

1、二階有源濾波器的設(shè)計姓名：學(xué)號：摘要：濾波器是一種選頻電路，是一種能讓需要頻段的信號順利通過，而對其它頻段信 號進行抑制（或大為衰減）的電路。濾波器在通信技術(shù)、測量技術(shù)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣 泛的應(yīng)用。濾波器的分類很多，根據(jù)濾波器對信號頻率選擇通過的區(qū)域，可分為低通、高通、帶通 和帶阻等四種濾波器；按使用的濾波元件不同，可分為 LC 濾波器、 RC 濾波器、 RLC 濾波 器；按有無使用有源器件，分為有源濾波器和無源濾波器；按通帶特征頻率 fo 附近的頻率特 性曲線形狀不同，常用的可分為巴特沃斯型濾波器和切比雪夫型濾波器；有源濾波器還分為 一階、二階和高階濾波器，階數(shù)越高，濾波電路幅頻特性過渡

2、帶內(nèi)曲線越陡，形狀越接近理 想。由有源器件（晶體管或集成運放）和電阻、電容構(gòu)成的濾波器稱為 RC 有源濾波器，這 類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗、而且還可以放大，負載效應(yīng)不明顯， 利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽。 缺點是由于受運算放大器的帶寬限制，這類濾波器主要用于低頻范圍，目前有源濾波器的最 高工作頻率只能達到 1MHz 左右，并且需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高 壓、高頻、大功率的場合不適用。本實驗設(shè)計了 RC 有源低通、高通、帶通濾波器，并利用利用 EDA 工具 Multisim 對實 驗進行仿真演示，列出了

3、具體的分析與設(shè)計方法。1 仿真軟件 Multisim 簡介EDA （就是“ Electronic Design Automation”的縮寫）技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用。發(fā)達國家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計。一臺電子產(chǎn)品的設(shè)計過程，從 概念的確立，到包括電路原理、 PCB 版圖、單片機程序、機內(nèi)結(jié)構(gòu)、 FPGA 的構(gòu)建及仿真、 外觀界面、熱穩(wěn)定分析、電磁兼容分析在內(nèi)的物理級設(shè)計，再到PCB鉆孔圖、自動貼片、焊膏漏印、元器件清單、總裝配圖等生產(chǎn)所需資料等等全部在計算機上完成。 EDA 技術(shù)借助計 算機存儲量大、運行速度快的特點，可對設(shè)計方案進行人工難以完成的模擬評估、設(shè)計檢驗

4、、 設(shè)計優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。 EDA 已經(jīng)成為集成電路、印制電路板、電子整機系統(tǒng)設(shè)計的主 要技術(shù)手段。美國 NI 公司（美國國家儀器公司） 的 Multisim 軟件就是這方面很好的一個工具。 而且Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)（LAB W EW 8）（也是美國NI公司的）可以很好 的解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一老大難問題。學(xué)員可以很好地、很方便地把剛 剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來。并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。 真正的做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí) 這些在教學(xué)活動中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)2二階有源低通濾波器的

5、設(shè)計2.1設(shè)計指標：通帶增益 AUF=2dB ；品質(zhì)因數(shù)Q=0.707;截止頻率fH =3.4kHz ;阻帶衰減：不小于I -40dB/10oct |;2.2設(shè)計框圖圖1二階有源低通濾波器設(shè)計框圖2.3各部分電路的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至 關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負反饋。2.4仿真電路圖：圖2所示的電路

6、是由Sallen和Key于1955年提出的，電路中采用了一個同相放大器，由 于無源RC電路部分反饋到運放的同相端，因此它為正反饋電路。由兩節(jié)RC濾波器電路和同 相比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。G1Tl-tnF汕MXx1VnnS )&OkHz/哦.H3A:47kLAUP HT VIRTUAL4:Wk,: 圖2仿真原理圖同相放大電路的電壓增益即低通濾波器的電壓增益AoR4AVF1R2傳遞函數(shù)：A(s)其中:RC低通電路的上限頻率fH要求fH3.4kHz，取 Ci=C2=1000pF可求得：Ri|=R3=46.8k,取 47k,取 Q=0.707，則 Avf=1.586取 R4=

7、39kR2=68k2.4波形仿真：圖3仿真結(jié)果圖2.5仿真結(jié)果和設(shè)計指標的比較通過仿真波形可以看出，截止頻率為 3.4kHz,基本符合設(shè)計指標，帶內(nèi)的增益為 3.7dB, 與設(shè)計指標有差異。3二階有源咼通濾波器3.1設(shè)計指標：通帶增益AUF=1.6;品質(zhì)因數(shù)Q=0.707;截止頻率fL =300Hz ;阻帶衰減：不小于I -40dB/10oct | ;3.2仿真原理圖與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。只要將圖3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，)4kHzxGND H I I I li I li I I I I Il I I I

8、 I li B圖4仿真原理圖13.3電路器件參數(shù)計算同相放大電路的電壓增益即低通濾波器的電壓增益AOAVF1R4AS2傳遞函數(shù)：A(s):斗Q其中：c1RC3 AVF高通電路的下限頻率fL，要求fL才 300Hz，取 C1=C2=0.1uFR7=82k可求得：R2= R5=5.31k,取 5.1k 取 Q=0.707,則 Avf=1.586取 R4=47k3.4仿真波形從圖5的仿真結(jié)果可以看出，截止頻率在 303Hz出，基本符合設(shè)計要求；通 帶增益為0.7，相比設(shè)計指標偏小。4二階有緣帶通濾波器的設(shè)計4.1設(shè)計指標通帶增益auf=0中心頻率：fO =190kHz;帶寬:50kHz;阻帶衰減：不

9、小于I-40dB/10oct |4.2仿真原理圖帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(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，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。GND圖6仿真原理圖如圖6所示的，由R2R3和運放構(gòu)成的同相放大器的增益為 K，K=1+R3/R2。將此電路的 轉(zhuǎn)移函數(shù)與二階帶通函數(shù)比較，可得到一下關(guān)系。C1C2 CH。1QR1KQH 0 pKQR4KQ H0 PCR51PC品質(zhì)因數(shù)Q來表示濾波器頻率響應(yīng)曲線的尖銳程度，可以用中心頻率和帶寬的比值度量。Ho為傳遞函數(shù)在中心頻率處的幅值。我們?nèi)≈行念l率為Fp=190k，通帶寬度BW=50k，可以求得Q=5，使R2=R3，所以K=2， 取 Ho=4。取 Ci C2=100pF，計算的 Ri=4.4k，R4=8k，R5=30k。4.3仿真波形圖7仿真波形從圖7可以看出該帶通濾波器的中心頻率 fo=190kHz，帶寬為40