有源帶通濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、有源帶通濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)生姓名崔新科同組者王霞吳紅娟指導(dǎo)老師王全州該設(shè)計(jì)利用模擬電路的相關(guān)知識(shí)，設(shè)定上線和下限頻率，采用開環(huán)增益80dB以上的集成運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)符合要求的帶通濾波器。再利用Multisim10.0仿真出濾波電路的波形和測(cè)量幅頻特性。通過仿真和成品調(diào)試表明設(shè)計(jì)的有源濾波器可以基本達(dá)到所要求的指標(biāo)。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：1 .確定有源濾波器的上、下限頻率；2 .設(shè)計(jì)符合條件的有源帶通濾波器；-3 .測(cè)量設(shè)計(jì)的有源濾波器的幅頻特性；4 .制作與調(diào)試；5 .總結(jié)遇到的問題和解決的方法。關(guān)鍵詞：四階電路有源帶通濾波器極點(diǎn)頻率Theuseofanalogcircuitdesignknowled

2、ge,on-lineandsetthelowerlimitfrequency,theuseofopen-loopgainof80dBormoreintegratedoperationalamplifierdesignedtomeettherequirementsofthebandpassfilter.Re-useMultisim10.0circuitsimulationwaveformandfilteroutthemeasurementofamplitude-frequencycharacteristics.Finisheddebuggingthesimulationanddesignofac

3、tivefiltersthatcanbasicallymeettherequiredtargets.Themaindesignelements:1. Determinetheactivefilter,thelowerlimitfrequency;2. Designedtomeettherequirementsoftheactiveband-passfilter;-3. Designedtomeasuretheamplitude-frequencycharacteristicsofactivefilters;4. Productionandcommissioning;5. summarizest

4、heproblemsandsolutions.Keywords:fourth-orderactiveband-passfiltercircuitpolefrequency濾波器簡(jiǎn)介濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。工程上常用它來(lái)做信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。它是由集成運(yùn)放和RC組成的有緣濾波電路的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ?媒質(zhì))都可視為是一種濾波器。因?yàn)?任何裝置的響應(yīng)特性

5、都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。濾波器基礎(chǔ)知識(shí)1 .濾波器的分類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(wú)源、異類三個(gè)分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬

6、、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PCM0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А?.有源濾波器和無(wú)源濾波器有源濾波自身就是諧波源。具依靠電力電子裝置，在

7、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(wú)功功率。具優(yōu)點(diǎn)是反映動(dòng)作迅速，濾除諧波可達(dá)到95%以上，補(bǔ)償無(wú)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(wú)源。一般無(wú)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償也是一定的。目前

8、在容量大且要求補(bǔ)償細(xì)致的地方一般使用有源加無(wú)源混合型，即無(wú)源進(jìn)行大容量的濾波補(bǔ)償，有源進(jìn)行微調(diào)。由RM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。一股來(lái)說(shuō)，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)越高，幅頻特性

9、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)。這里主要說(shuō)明有源濾波器，無(wú)緣的就簡(jiǎn)單說(shuō)下，不再詳述。(a)低通(b)高通(c)帶通(d)帶阻圖1四種濾波電路的幅頻特性示意圖各種濾波器的作用和結(jié).低通濾波器(LPF)1 .低通濾波器特性低通濾波器是用來(lái)通過低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。如圖2(a)所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖2(b)為二階低通濾波器幅頻特性曲線。(a)電路圖(b)頻率特性圖2二階低通濾波器2

10、 .電路性能參數(shù)階低通濾波器的通帶增益Aup：AuRf=1Ri(2-1)截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率fo：fo2二RC(2-2)品質(zhì)因數(shù)Q的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀Q=(2-3)3 -Aup當(dāng)2Aup3時(shí)，Q=oo,有源濾波器自激。由于將4接到輸出端，等于在高頻端給LPF加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。2高通濾波器(HPF與低通濾波器相反，高通濾波器用來(lái)通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。只要將圖22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2-3(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，

11、其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系，仿照LPH析方法，不難求得HPF勺幅頻特性。派固A(a)電路圖(b)幅頻特性圖3二階高通濾波器當(dāng)了“人時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為+40dB/dec;當(dāng)%A3時(shí),電路自激。電路性能參數(shù)Aup、fo各量的函義同二階低通濾波器。圖3(b)為二階高通濾波器的幅頻特性曲線，它與二階低通濾波器的幅頻特性曲線有“鏡像”關(guān)系。2.2.3帶通濾波器(BPF1,帶通濾波器特性帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)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。典型的帶通濾波器可以從

12、二階低通濾波器中將其中一級(jí)改成高通而成。如圖24所示。(a)帶通濾波器原理框圖(b)電路圖幅頻特性圖2-4二階帶通濾波器2.電路性能參數(shù)通帶增益Aup:(2-4)(2-5)AR4Rfp-R4RCB中心頻率fo：fo$晨(鼠B二通帶寬度B:(2-6)品質(zhì)因素Q:Q二f0(2-7)此電路的優(yōu)點(diǎn)是改變R和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。4帶阻濾波器(BEF1 .帶阻濾波器帶阻濾波器的性能和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(或受到很大衰減或抑制)，而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過，如圖2-5(a)所示。在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級(jí)同相比例運(yùn)算電路就構(gòu)成了基本的二階有源BEF(a)電路圖(

13、b)頻率特性(c)原理框圖圖5二階帶阻濾波器2 .電路性能參數(shù)通帶增益Aup:R,%=1噌(2-8)Ri中心頻率f0：fo12二RC(2-9)(2-10)(2-11)帶阻寬度B：B=2(2-5)fo品質(zhì)因數(shù)Q:2(2-%)有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)要求指標(biāo)1.帶寬要求：15Hz35KHz2,帶外抑制比要求：=-20dB/倍頻程方案的選擇及流程1 .階數(shù)的選擇根據(jù)所需帶外抑制比大于等于20dB/倍頻程，我們選用2fc了四階帶通濾波器，因?yàn)檫x用二階時(shí)為：2010gc=6dB/傳頻程選用三階時(shí)為：20log2*2=12dB/倍頻程選用四階時(shí)為：20log2*2*2*2=24dB/倍頻程此時(shí)可以滿足要求帶外

14、抑制比A20dB/倍頻程倍頻程和10倍頻程的選擇：對(duì)于濾波或運(yùn)放放大倍數(shù)來(lái)講是用dB來(lái)表示的。具體的公式是A(w)=A0/(1+jw/w0),w0是濾波頻率或運(yùn)放的一個(gè)極點(diǎn)。米用dB表不時(shí)是20*log|A(w)|.A(w)要取模，即A0/sqrt(1+w*w/(w0*w0).對(duì)于n倍頻(靠近w0的頻率不準(zhǔn)確，n0),w2=n*w1,w1w0.(開方中的1可忽略)則有A(w2)-A(w1)=20*logA0-20*log(sqrt(w2*w2)/(w0*w0)-20*logA0+20*log(sqrt(w1*w1)/(w0*w0)=-10*log(w2*w2/(w1*w1)=-10*log(n

15、*n)這樣對(duì)于兩倍頻，w2=2*w1,則此時(shí)下降是-10*log4=-6.02dB當(dāng)w2=10*w1時(shí)-10*log100=-20dB.2 .電路形式的選擇由于我們所選的濾波器階數(shù)n為偶數(shù)，所以我們選用n/2個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)；3 .原理圖仿真依原理圖用Multisim10.0進(jìn)行仿真，使基本達(dá)標(biāo)。我們用Protel99SE畫出來(lái)的設(shè)計(jì)原理圖：下面是我們的仿真結(jié)果：這幅圖是我們?cè)贛ultisim10.0進(jìn)行仿真時(shí)得到的波特圖，其中給定其它參數(shù)值如圖所示，這也是我們組前期仿真過程中遺留下來(lái)的最不可原諒并且是最最核心的問題，在后面會(huì)對(duì)它做進(jìn)一步說(shuō)明。下面是我們的仿真結(jié)果：可以看到仿真出來(lái)的帶寬已經(jīng)非

16、常寬了，上限頻率很高，這與我們的初始仿真結(jié)果出現(xiàn)了很大的偏差。(初始仿真結(jié)果為：10.225Hze61.743KHz)。.電路性能測(cè)試和改進(jìn)做出來(lái)的電路先出現(xiàn)了峰值：電阻出了問題，改變阻值后:為此后來(lái)經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，將R、R。、%、%進(jìn)行了修改，下面是我們對(duì)其進(jìn)行修改時(shí)做出來(lái)的實(shí)測(cè)幅頻特性曲線，為了能夠真實(shí)的反映個(gè)點(diǎn)的工作情況，我們作出其折線圖形，具體如下再次改變阻值后：帶外抑制比不夠：將上圖數(shù)據(jù)作以匯總，得到如下表格：由此可以看出R的取值為40k或36k時(shí)，條件基本滿足條件。下面所示是我在萬(wàn)能板上實(shí)際焊接出來(lái)的實(shí)物圖：,電源模塊直流穩(wěn)壓電源的工作原理電源是構(gòu)成一個(gè)完整功放的重要組成部分，其穩(wěn)定

17、的向外電路提供能量，保證外電路能正常的進(jìn)行工作。但一般地都是從市電經(jīng)變壓器降壓而實(shí)現(xiàn)的，那么如何降壓，如何把交流經(jīng)某些元件變成直流，并保證其能穩(wěn)定的輸出是必須考慮的問題。做為穩(wěn)壓電源它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。而脈動(dòng)的直流電壓含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以消除，從而得到平滑的直流電壓。A.變壓器變壓器的種類有許多，單輸出的雙輸出的，體型有大有小，輸出電壓、功率等依型號(hào)而定。外電路所需電壓值、流過電源的電流、外電路的功率都將影響到電源輸出電壓的穩(wěn)定性，因此輸出電壓、

18、本身功率等都是必須考慮的，在本電路中我們選擇雙12V輸出電壓的變壓器。要使交流電壓變成直流電壓，整流電路就是必須的。常見的整流電路有單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流和倍壓整流電路。由于橋式整流電路輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此我們?cè)诖瞬捎米畲箅娏?A的整流橋C.濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。其工作機(jī)理是，點(diǎn)抗性元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)有平波的作用。電感也有平波的作用，使負(fù)載電壓比較平滑

19、。電容濾波一般針對(duì)小功率電源，而電感濾波多用于大功率電源中。此電路中我們采用電容濾波方式。電容濾波時(shí)輸出電壓為U2=V2Ui,其中Ui為變壓器輸出電壓，U2為電容兩端輸出電壓。XSC2-fe+01-CJ-應(yīng)IDhF：Cl-士工2后II皿LJt-UBW7GLIMErirHiQj+JOSH-A,HJ1,T-將1H-I1-I8由于該電路采用雙電源形式，我們將采取上下并聯(lián)兩組電容的形式來(lái)作為濾波電路。并且電容由大到小依次排列。第二級(jí)電容采用鋰電解電容有效地防止了低頻干擾成分對(duì)電路的干擾，第三極電容采用獨(dú)石電容防止了高頻成分的干擾，同時(shí)也提高了電源的穩(wěn)定性.電源部分采用三端集成穩(wěn)壓塊LM781牙口LM7

20、912制作，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路中芯片所需電壓為士12V,實(shí)際測(cè)得電壓為11.86V和11.74V.我們?cè)诰唧w測(cè)量的時(shí)候選用此電源模塊。運(yùn)放的選擇為了減少運(yùn)放對(duì)濾波電路的負(fù)載效應(yīng)，同時(shí)便于調(diào)整，我們剛開始考慮選用LF412。這是一種具有JFET作為輸入級(jí)的低失調(diào)、高輸入阻抗運(yùn)放。其輸入阻抗可達(dá)1012Q。單位帶寬增益積為8MHz能滿足我們的要求，但因?yàn)榇诵酒蠖酁檐娪眯酒瑑r(jià)位太高，所以我們選用了LM324因?yàn)長(zhǎng)M324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC

21、1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。3dB帶寬增益乘積:1.2MHz，低功耗，已經(jīng)可以滿足我們的要求了。電壓跟隨器概括地講，電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作。電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到“隔離”作用。電壓跟隨器常用作中間級(jí)，以“隔離”前后級(jí)之間的影響，此時(shí)稱之為緩沖級(jí)?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn)。電壓跟隨器的

22、輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級(jí)電路之間互不影響。利用電壓跟隨器的這些特點(diǎn)，我們?cè)陔娐犯叩豌~連接處增加了電壓跟隨器模塊，是的電路性能大幅度優(yōu)化，主要表現(xiàn)在通帶內(nèi)的平坦程度得以提升，帶寬也有所增加。3.存在問題解決情況濾波器的構(gòu)架的選擇在剛開始的原理建立及電路構(gòu)架的確立時(shí)，我們也曾想過用兩個(gè)二階Delyiannis帶通濾波器級(jí)聯(lián)，也就是下面圖中給出來(lái)的那樣：下面給出仿真得到

23、的波特圖：由上圖可以看到，當(dāng)帶寬可基本達(dá)標(biāo)時(shí)，增益都到-157dB了，雖然我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)中沒有增益限制，但我們不可能這么大倍數(shù)的衰減新號(hào)，所以我們放棄這種設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)而采取高通與低通級(jí)聯(lián)的方式，選用二階Salley-key濾波電路為基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)濾波器電路，在前面已做過重點(diǎn)說(shuō)明，這里不再重復(fù)。(2)低通部分的改進(jìn)由于在仿真階段的疏忽和調(diào)節(jié)的盲目，使得地同參數(shù)出了很大問題，一直到實(shí)際電路搭接出來(lái)后還在為低通電路部分發(fā)愁。后來(lái)通過對(duì)仿真圖的調(diào)節(jié)、實(shí)際電路的分塊測(cè)試，低通濾波電路的不可行之處實(shí)實(shí)在在的擺在我們眼前，因此重新開始從計(jì)算開始，確立參數(shù)，在上面已經(jīng)予以說(shuō)明，但新的問題又出現(xiàn)了，高頻部分波特圖出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，且轉(zhuǎn)折前后斜率不盡相同，在之前給出的方針和實(shí)測(cè)圖中都有反映出來(lái)，其原因初步被判定為是兩個(gè)二階濾波電路頻率不匹配，致使濾波通帶沒有能完全重合。(3)電源問題我們的第二個(gè)電源出了一些問題，也耽誤了很長(zhǎng)時(shí)間，測(cè)量數(shù)據(jù)為：正電源11.6V、負(fù)電源為-22V.整流橋測(cè)過沒出問題，電路都是通的，穩(wěn)壓塊也換過，但一直沒能解決，問題還是出在穩(wěn)壓塊上，應(yīng)該是被燒掉了。(4)帶外抑制比思路一：帶