有源濾波設(shè)計綜述

1、摘 要11 RC有源濾波器設(shè)計 11.1方案框圖1.1.1方案框圖1.1.2子框圖的作用1.1.3 方案選擇1 1.2單元電路計1.2.1方案框圖1.2.2濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù) 1.2.3已知條件與設(shè)計步驟 1.3元件參數(shù)的計算1.3.1二階低通濾波器 1.3.2二階帶通濾波器 1.3.3二階高通濾波器 1.4 元器件選擇1.5工作原理2EWB仿真分析2.1EWB電路圖.2.2EWB仿真分析2.3結(jié)果分析.231 觀測幅頻特性 232 理論值計算及分析 33電路板的制作213.1 繪制PCB原理圖3.2制作PCB板致 謝31參考文獻32附 錄33附錄一 33附錄二33附錄三34摘要木設(shè)計

2、主咚介紹了勺源濾波器的設(shè)讓方法及仿真。此設(shè)計主陵分兩部分 逼近和綜合即先 按庶給定頻率響應(yīng)特性汗找傳逆函數(shù) 再由傳遞畫數(shù)求H有源濾波的I廚.基木以次是從無 源到仃源 從低通濾波到商適、號逋和帯阻濾淤 從口_化笏數(shù)隹到非!/一化參數(shù)值 從理 想濾波器到實際可實現(xiàn)電路。有源模擬濾波器是在了解了理想濾波器的模型特性及頻率響應(yīng)特叫 濾波器的屯路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)和蟆擬能波器的感率變喚及元件變換的分析的莖礎(chǔ)I； 設(shè)計出的。關(guān)謹訶-原濾波器逼近 綜合1 RC有源濾波器設(shè)計1.1總方案設(shè)計1.1.1方案框圖圖Ll.l RC有源濾波總框圖1.1.2 子框圖的作用1 RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾

3、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。2放大器的作用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。3反饋網(wǎng)絡(luò)的作用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。1.1.3方案選擇濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一個理想的濾 波器應(yīng)在要求的頻通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益， 而在通帶以外則具有 無窮大的衰減。然而實際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用 各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。用運算

4、放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨特的優(yōu)點。 兇為不用電感元件 所以免除電感所固有的非線性特性、磁場屏 蔽、損耗、體積和重量過大等缺點。由于運算放大器的增益和輸入電 阻高 輸入電阻低 所以能提供一定的信號增益和緩沖作用 這種 濾波器的頻率范圍約為10-3Hz106H z,頻率穩(wěn)定度可做到（10-31010-5）/攝氏度頻率粘度為+（35）%并可打簡單的級 聯(lián)來得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。濾波器的設(shè)計任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術(shù)指標有通帶和阻帶之分，通帶指標有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率）通帶傳輸 系數(shù)。阻帶指標為帶外

5、傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設(shè)計中的考慮原則。（1）關(guān)于濾波器類型的選擇一階濾波器電路屐簡單但帯外傳輸系數(shù)哀減慢一般在對帶 外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性 對參數(shù)變化比較敏感 布這點上它不如壓控電壓源型一階濾波器。當 要求帶通濾波器的通帶較寬時 可用低通濾波器和高通濾波器合成 這比單純用帶通濾波器耍好（2）級數(shù)選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一 階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減何:衛(wèi)低通或焉建電躋可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函數(shù)總特性的階

6、數(shù)等于各級階數(shù)之 和。當要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程） 時，則取級數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6（或n大于等于m/20）。（3）運放的要求亦尢特殊更求的情況下 可選用通用型運算放大器。為了滿足 足夠深的反饋以-保訐一所需濾波特性運放的開環(huán)增應(yīng)亦80dB以上。 對運放頻率特性的更求由其工作頻率的上限確定設(shè)丁作頻率的 上限為Fh,則運放的單位增益寬帶應(yīng)滿足下式：BW（大于等于（3-5） AefH 式巾為濾波通帶的傳輸系數(shù)“如果濾波器的輸入信號較小， 例如在10mV以下，則選低漂移運放。如果濾波器工作于超低頻，以 至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100kQ，則應(yīng)選低漂移高輸入阻

7、抗 的運放。（4）元器件的選擇一般設(shè)計濾波器時都要給定截止頻率 fc （ 3 c）帶內(nèi)增益Av,以 及品質(zhì)因數(shù)Q。二階低通或高通一般為 0.707。在設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)待 確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之數(shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少，電容難配，而電 阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。f(110)Hz10102Hz102103Hz110 KHz10103KHz102103KHzC(2010)F100.1 uF0.10.01uF104103pF103102pF10210pF衣1.

8、1.3濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應(yīng)關(guān)系1.2單元電路設(shè)計1.2.1. 原理圖設(shè)計(1) 低通濾波器圖1.2.1.1低通濾波器電路圖(2) 高通濾波器圖1.2.1.2高通濾波器電路圖(3) 帶通濾波器圖 1.2.1.31.2.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)由RC元件與運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)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以 外的信號。因受運算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍， 根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，它們 的幅頻特性如下圖所示。具有理想特性的濾波器是很難實現(xiàn)的， 只能 用實際特性去逼近理想的。常用的

9、逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響 丿M和切比雪夫等波動響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動時用巴特沃斯響應(yīng)較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，貝y切比雪夫響應(yīng)較好(a)階低通澹波電路(c) 一階蒂寬濾波電路圖1.2.2二階有源濾波器電路圖表1.2.2二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)低通A(s)=Av 3 c2/(s2+ 3 cs/Q+ w c2)高通A(s)=Avs2/(s2+ w cs/Q+ w c2)帶通A(s)=Av w 02s/Q(s2+ w cs/Q+ w c2)123已知條件與設(shè)計步驟（1）已知條件已知濾波器的響應(yīng)、濾波器的電路形式、濾波器的類型、濾波器的性能參數(shù) fC,Q,BW或AV。（2）

10、設(shè)計步驟1 根扌尿截山頻率，從表1.1.3中選定一個電容C的標稱值，使其滿足 K=100/fCC （如帶通 K=1OO/fOC）（1.2.3）注總：K不能人人否則會使屯阻的取値較人從而使引入增加 通常取1 K 10。2 從沒訃表中査處打AV對應(yīng)的電容值及K=1時的電阻 值。再將這些阻值乘以參數(shù) K 的電阻的設(shè)計值，3 實驗調(diào)整并修改屯萃“屯阻值 測量濾玻器的性能 參數(shù)繪制幅頻特性a燈低近法潑抖戲計古性能參數(shù)設(shè)計表說明阻為參數(shù)K=1時的值單位為K Q(b)二階高通濾波器設(shè)計表性能參數(shù)設(shè)計表說明阻為參數(shù)K=1時的值單位為K Q(c)二階帶通濾波器設(shè)計表性能參數(shù)設(shè)計表設(shè)計表設(shè)計表設(shè)計表設(shè)計表說明阻為

11、參數(shù)K=1時的值單位為K Q表1.2.3電路設(shè)計表2注意事項(1)膜電阻及容差小于10%旳徉圧呱濾;:必州.適w豐測心-譏冬只/只Ac/c及運放的性能文驗前應(yīng)測星回 電容的準確趾(2) ：丫.汕I；討比I，若某項指標偏差較大，則引發(fā)更據(jù)設(shè)計表調(diào)整修改相應(yīng)元件的值。1.3元件參數(shù)的計算1.3.1二階低通濾波器1 二階濾波器性能參數(shù)表達式為3 C2 / CC1RR1 (1.3.1) Q=0.7073 C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+A V)/R2C1(1.3.1.2)AV=1+R4/R3(1.3.1.3)2參數(shù)計算因為fH=2000HZ Ui=100mV。所以通過查表得 fC=2kHZC=0

12、.01Uf, |丨氏 1.2.3K=5.1.2.3(a) 得 AV=2寸 C=C1=0.01Uf;K=5寸 R1=5.63K Q ,R2=11.8K Q ,R3=R4=33.75K Q。 1.3.2 二階高通濾波器1.二階濾波器的參數(shù)表達式3 C2 / CC1RR1(1.3.2.1)Q=0.7073 C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+A V)/R2C1(1.3.2.2)AV=1+R4/R3(1.3.2.3)2 參數(shù)計算因為fH=1000HZ Ui=100mV。所以通過查表得fC=100HZC=0.1UF,由式 1.2.3K=10。 z1.2.3(c) 皈 Q=10 行 AV=2 吋 取 C

13、=C1=0.02UF;K=10 吋R仁79.7K Q ,R2=5.8KQ ,R3=11.68K ,R4=R5=23.3K Q。1.4 元器件選擇電阻的選擇根據(jù)參數(shù)計算得的結(jié)果和市場上所出售的請況而選樣見附錄淸單。電容的選擇根扌居吃阻的確定和規(guī)定的截山頻率i iij選擇兀附錄清單。運放的選擇 我們選擇了八管腳的UA741單運放 其管腳圖如圖1.5.1Ua741管腳圖U PACKAGE圖1.5.2 UA741內(nèi)部原理圖17和人部矗講唱賂JhU4人級償宣電路出間級_輸出級FT | 丨 、Tr51.5工作原理濾波電路是一種能使楊浦用頻率通過，同時抑制無用成分的電 路濾波電路種類很多由集成運算放大器、電

14、容和電阻可構(gòu)成有源 濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力 和帶負載能力。由于受到集成運算放大器特性的限制， 有源濾波器主要用于低頻場合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低 通濾波電路指低頻信號能通過而高頻信號不能夠通過的電路， 高頻濾 波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號能通 過而該頻段之外的信號不能通過的電路。2 EWB仿真分析EWB軟件介紹EWE的全稱為 Electronics Workbench （電子工作臺），它提供了 仿真實驗和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù) ?；旌想娐泛筒糠謴婋婋娐返姆抡妗⒎治龊驮O(shè)計。EWB是

15、一種優(yōu)秀而易學(xué)的 WDA（電子設(shè)計自動化）軟件，與其他 仿真分析軟件相比，EWB勺最顯著特點就是提供了一個操作簡便且與 實際相似的虛擬實驗平臺。他幾乎能對”電子技術(shù)”課程中所有基本 電路進行虛擬實驗，虛擬實驗過程和儀器操作方法與實際相似， 但比 實際方便、省時。他還能進行實際無法或不便進行的試驗內(nèi)容，通過 儲存和打印等方法可精確記錄器實驗結(jié)果。 它提供十多種電路分析功 能，能仿真電路實際工作狀態(tài)和性能。應(yīng)用EWB便于實現(xiàn)邊學(xué)邊練的教學(xué)模式，使“電子技術(shù)”課程 的學(xué)習變得更有趣而容易。2.1 EWB電路圖二階低通濾波器114 OU2.二階帶寬濾波器71 kOhrnAAVirriAOH圖2.1.1

16、二階低通濾波電路1.二階高通濾波器圖2.1.2二階高通電路圖2.1.3二階帶寬電路22 EWB仿真分析分析結(jié)果圖i二階低通濾電路Bode PlotterInOut(aOscilloscopei Out (Bode riot terrin a竹弓T2oapa乞T?-TI入 aga如b8.21nVi 2228 aVVC.V*A199 U62Ssi-1 t 2nVg ?oaa 2g： q0= 016皿 4rV nV6K*A-TW W(HP) aao(Bp)專 qd3二階帯寬電躋:*PhjFH.inrrrtSsrvi迪1&H： *1eK=口 CEF3-rnviBT r*hieduhz炳 H 0.707

17、幅頻特性會出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。在Q=0.707悄出下 為f=fn 時 20lg|Au/Auf|=-3dB,即特征頻率fn就是濾波器的截止頻率，并 .fl. Q越大曲線越尖(3)(4) Aumf=20Lg(A0)-3截止頻率 f0 已知。2分析(1) 低通濾波器 首先輸入信號 Vi=100mV,觀察濾波器的截止 頻率fC及電壓放大倍數(shù)Ao,測得數(shù)據(jù)如表2.3.1.1所小某木満足妥求 由丁參數(shù)的影響較大 故與設(shè)計表對比有很大的誤聾。(2) 高通濾波器在測高通濾波器時其忙號發(fā)生器的偷!川帕 度隨頻率的升高lli下降 這時應(yīng)使Vi=100mV不變。測的數(shù)據(jù)如表2.3.1.2(3) 帶通濾波器 電路的幅頻特性

18、的衰減速率主要有電路的品 質(zhì)因數(shù)Q決定。測的數(shù)據(jù)如表3電路板的制作3.1繪制PCB原理圖1. 設(shè)置電路圖紙參數(shù)及相關(guān)信息2. 裝入所需的元件庫3. 放置元件4. 電路圖布線5. 調(diào)整、檢查和修改6. 補充完善7. 保存和打印輸出8. 原理圖如下a階低通濾波電路(b) 一階奇通濾波電路r% rR32-1r2257k22 57kaTAi8C1Z22IN12 OUT7_|11viN1II361Vo1II450UhA-14AR1R218 SlkId1k2階帶寬濾波電路3.2 制作 PCB板1. 用油印紙打印原文件的PCB圖2. 根據(jù)需要選擇單面板還是雙面板（此設(shè)計用單面板即可），根據(jù)PCB 圖確定PCB板大小川細砂紙將PCB板覆銅間打磨光庫 去除銅銹 然后淸洗十凈 以便汕墨能夠順利覆上。3.將印有PCB圖的油印紙 反扣在清洗干凈后的PCB板覆銅面上，往油印紙上澆適量水，