巴特沃茲濾波器設(shè)計(jì)論文

1、課程設(shè)計(jì)(論文)說明書題 目： 有源濾波器的快速設(shè)計(jì)院 （系）： 信息與通信學(xué)院專 業(yè)： 通信工程學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：職 稱：2011年12月28日桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 15 頁(yè)摘 要使用FilterLab 軟件，可以簡(jiǎn)化低通濾波器設(shè)計(jì)過程，減輕技術(shù)人員設(shè)計(jì)低通濾 波器的工作量，是值得推廣的好方法。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是巴特沃茲的4階低通濾波器，截止頻率為500Khz。關(guān)鍵詞：filterLab；巴特沃茲AbstractUse FilterLab software, can simplify the low-pass filter design proce

2、ss, reduce technical personnel low-pass filter design Chopper workload, is worth the promotion of good method. The experimental design is the woz bart 4 order low-pass filter, cut-off frequency for 500 Khz.Key words: FilterLab; Butterworth1桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁(yè) 共 15 頁(yè)目 錄引言31 濾波器設(shè)計(jì)原理 31.1有源低通濾波電

3、路基本概念及其現(xiàn)狀 31.2濾波器的分類及其優(yōu)缺點(diǎn) 31.3有源低通濾波電路的組成和實(shí)驗(yàn)原理 41.4有源低通濾波器的運(yùn)放 5 2 使用FilterLab 軟件設(shè)計(jì)低通濾波器 6 3 總體設(shè)計(jì) 73.1電路設(shè)計(jì)總思路 73.2 仿真及幅頻特性測(cè)量 83.3 軟件設(shè)計(jì). 10 4 調(diào)試步驟及結(jié)果 104.1 檢查連線 104.2 通電檢測(cè) 104.3 觀察調(diào)節(jié) 104.4 分步調(diào)試 104.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 10 5 設(shè)計(jì)總結(jié) 10謝辭 11參考文獻(xiàn) 12附錄 132桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 15 頁(yè) 引言濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子裝

4、置，常用于信號(hào) 處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運(yùn)放和無源元件電阻和電容構(gòu)成。它的功能是允許從零到某個(gè)截止頻率的信號(hào)無衰減地通過，而對(duì)其他頻率的信號(hào)有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻干擾信號(hào)。但對(duì)于濾波器設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的實(shí)際選擇和調(diào)試的困難，采用普通實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法不僅解決不了上述問題，還花費(fèi)大量時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，以至于設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，電路噪聲大等質(zhì)量問題也不盡人意。因此，對(duì)有源低通濾波器的設(shè)計(jì)新方法探討，仍有積極的實(shí)際意義。隨著集成運(yùn)放的廣泛應(yīng)用,有源濾波器的應(yīng)用更為廣泛 ,因此有源濾波器性能的分析和電路設(shè)計(jì)就成為一個(gè)核心問題 ,本文采用了

5、先進(jìn)的FilterLab 軟件進(jìn)行快速設(shè)計(jì)。1. 濾波器設(shè)計(jì)原理1.1 有源低通濾波電路基本概念及其現(xiàn)狀濾波電路的作用就是允許某段頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止或削弱其他頻率范圍的信號(hào)。有源濾波電路由電阻、電容和集成運(yùn)算放大器組成，又稱為有源濾波器。有源濾波器能 夠在濾波的同時(shí)還能對(duì)信號(hào)起放大作用，這是無源濾波無法做到的。根據(jù)濾波電路通過或者 阻止信號(hào)頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通河帶阻電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過低頻信號(hào)，抑制或衰減高頻信號(hào)。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)。2

6、0世紀(jì)50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(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)

7、時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，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，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，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

8、工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，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。1.2濾波器的分類及優(yōu)缺點(diǎn)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 3桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不

9、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?。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)償無功功率。其優(yōu)點(diǎn)是反

10、映動(dòng)作迅速，濾除諧波可達(dá)到95以上，補(bǔ)償無功細(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)前常見的有源濾波容量不超過600千瓦。其運(yùn)行可靠性也不及無源。一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對(duì)某次諧波并聯(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源混合型，即無源進(jìn)行大容量的濾波補(bǔ)償，有源進(jìn)行微調(diào)。1.3 有源低通濾波電路的組成和實(shí)驗(yàn)原理二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個(gè)RC

11、 環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成，電路如圖所示。圖1 有源低通濾波二階電路其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)：4桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 15 頁(yè) 其傳遞函數(shù)：其中： Wo=1/RC 截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。圖2 不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過分析可知：當(dāng)信號(hào)頻率大于截止頻率時(shí)信號(hào)的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達(dá)到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定 提升。如果

12、Q =0.707 時(shí)，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q 0.707 時(shí),幅頻特性將出現(xiàn)峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設(shè)計(jì)電路圖參數(shù)。1.4有源低通濾波器的運(yùn)放運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運(yùn)放結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于外部電路而言，其特性都是一樣的。運(yùn)算放大器一般由4個(gè)部分組成，偏置電路，輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)，其中輸入級(jí)一般是采用差動(dòng)放大電路（抑制電源），中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的共射負(fù)載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級(jí)一般采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)電路（提高電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力）。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)包括5個(gè)，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比

13、CMRR。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。共模抑制比放映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。）實(shí)際是有要求的。首先運(yùn)放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對(duì)電路中的實(shí)際電 5桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 15 頁(yè) 阻產(chǎn)生過大的影響 。其次運(yùn)放的開環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些

14、條件非常容易滿足，因此在設(shè)計(jì)有源二階低通濾波器時(shí)，不考慮。但在仿真時(shí)，不同的運(yùn)放對(duì)濾波器的指標(biāo)還是有影響的。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，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)?？捎迷谛畔⑻幚怼?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。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)

15、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3四種濾波電路的幅頻特性示意圖2. 使用FilterLab 軟件設(shè)計(jì)低通濾波器FilterLab 軟件是Microchip 公司專為單片機(jī)應(yīng)用而開發(fā)的低通濾波器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，資源開放又簡(jiǎn)單易學(xué)。例如設(shè)計(jì)一個(gè)Butterworth 低通濾波器，通帶頻率為3 Hz，衰減30 dB/十倍頻程，Sallen Key 類型的電路，在3 Hz 只有0.1 dB的衰減。第1 步：?jiǎn)?dòng)FilterLab 軟件，選擇F

16、ilter/Design 菜單，然后在屏幕彈出的窗口中選擇Filter Specification 頁(yè)面，選擇Butterworth 和Lowpass。第2 步：選擇Filter Paramenters 頁(yè)面設(shè)置窗口中濾波器參數(shù)。通帶衰減：設(shè)置范圍為0.01 dB3 dB6桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 15 頁(yè)阻帶衰減：設(shè)置范圍為10 dB100 dB通帶頻率：設(shè)置范圍為0.1 Hz1 000 000 Hz阻帶頻率設(shè)置：衰減某dB 值時(shí)的頻率值。第3 步：在Circuit 頁(yè)面選擇電路形式。在該頁(yè)面可以選擇Sallen Key 電路形式或是MPB 電路形式；另外，用

17、鼠標(biāo)點(diǎn)擊右側(cè)電路的電容，可以決定電容值是自動(dòng)生成還是人工選擇。還可以選擇電路中的電阻值是采用1誤差的標(biāo)準(zhǔn)電阻，還是采用精確阻值的電阻。設(shè)置完成后，單擊確定，就可以查看頻率特性、電路。第4 步：查看頻率特性。進(jìn)入Frequency頁(yè)面，可以觀察所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性。第5 步：查看電路參數(shù)。進(jìn)入Circuit頁(yè)面,可以看到電路與電路參數(shù)?？梢钥闯觯現(xiàn)ilterLab 有源濾波器軟件提供了完全的濾波電路原理圖與元件值，可以顯示出頻率響應(yīng)并計(jì)算出各元件的數(shù)值。從而大大地減少了設(shè)計(jì)有源濾波器的工作。3. 總體設(shè)計(jì)3.1 電路設(shè)計(jì)總體思路7桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共

18、15 頁(yè)圖4原件設(shè)計(jì)表格圖本次課程設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的截止頻率為10Khz，取AV=2，由圖4可知，C=0.01uf，代入公式： K=100/(fc*C) （24）注釋：C以u(píng)f作為單位，fc以hz為單位。K值不能太大，否則會(huì)使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常選擇1 K10。得K=1，符合要求。代入圖4得：R1=1126歐姆，R2=2250歐姆，R3=6752歐姆，R4=6752歐姆；3.2 仿真及幅頻特性測(cè)量通過multisim仿真軟件對(duì)上述電路進(jìn)一步修正，修正的結(jié)果為圖5：8桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 15 頁(yè)圖5 仿真設(shè)計(jì)圖其頻域仿真結(jié)果為圖6：圖6 mu

19、ltisim仿真得到的頻域圖上圖所示，仿真出來的效果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是仍有微小誤差，誤差原因可能是電阻值由于外界環(huán)境因素存在波動(dòng)，仿真軟件精度不夠等原因。9桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) 共 15 頁(yè)3.3 軟件設(shè)計(jì)圖7 FilterLab設(shè)計(jì)圖4. 調(diào)試步驟及結(jié)果4.1 檢查連線用電筆檢查各處連線是否正常導(dǎo)通。4.2 通電檢測(cè)接上9V直流電源，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4.3 觀察調(diào)節(jié)各電路接通，再未接輸入時(shí)，所以LED是不亮的。4.4 分步調(diào)試開始輸入不同的電壓，觀察LED的亮滅是否符合標(biāo)準(zhǔn)。4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過調(diào)試，所有指標(biāo)均已符合，實(shí)驗(yàn)成功。5. 設(shè)計(jì)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)最大的收獲是如何尋找技術(shù)資料，由于沒有找對(duì)資料，第一次設(shè)計(jì)并制作的電