有源滤波器的设计和实现.docx

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齐鲁理工学院
课程设计说明书
题 目 有源滤波器设计
课程名称 模拟电子技术B
二级学院 机电工程学院
专 业 自动化
班 级 2015级
学生姓名 李德顺
学 号 201510532020
指导教师 臧红岩范卉青
设计起止时间:2016年12月19日至2016年12月23日
目录
一、设计任务与要求 2
二、设计方案 3
总方案设计……………………………………………………………3
。 1方案框图………………………………………………………3
2。 1。2子框图的作用…………………………………………………3
………………………………………………………3
三、设计原理与电路 5
单元电路的设计………………………………………………………5
。 1原理图设计……………………………………………………5
3。 ………………………………6
元件参数的计算………………………………………………………8
。 1二阶低通滤波器………………………………………………8
二阶高通滤波器………………………………………………9
。 3二阶带通滤波器………………………………………………9
元器件选择……………………………………………………………9
3。4工作原理………………………………………………………………10
四、 电路的组装与调试 11
MultiSim电路图 11
MultiSim仿真分析 13
五、 设计心得 16
附录……………………………………………………………………………16附录I元件清单 17
附录IIProtel原理图 17
参考文献……………………………………………………………………18
有源滤波器设计
摘要:在《模拟电子技术基础》的学****基础上,针对课设要求,设计了多重反馈有源带通滤波器。本次设计,是有电阻、电容、放大器组成的电路•该滤波器的中心频率是lOKHz。该滤波器阻值低于50Hz和高于20Hz频率的信号通过,只允许50Hz到20KHz之间的信号通过。该滤波器属于有源滤波器,由无源元件和有源元件组成。这类滤波器的优点是:带内的信号不仅没有消耗能量,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相连是相互影响很小。设计用到了LM324放大器,它既可接单电源使用(3~30V),也可以接双电源使用(±1。5~±15V),不需要调零.
关键词:RC网络;反馈网络;运算放大器;滤波器
任务与要求
1。1设计任务
有源滤波器是由有源元件和无源元件(一般是R和C)共同组成的电滤波器,和无源滤波器相比,它的设计和调整过程较简便,此外还能提供增益。本课程设计选择二阶有源滤波器作为主要研究对象。
自已设计电路系统,构成低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器,利用Multisim仿真软件进行仿真。

(1) 设计电路图,确定前置放大电路,有源滤波电路,功率放大电路的方案,并使用相应绘图软件画出设计电路,包括低通、高通和带通;
(2) 所设计的滤波器不仅有滤波功能,而且能起放大作用,负载能力要强;
(3) 根据给定要求和电路原理图计算和选取单元电路的元件参数;
(4) 用Multisim仿真软件对滤波器进行仿真,记录仿真结果。
设计方案
2。1总方案设计
2。1。1方案框图
图2。1。1RC有源滤波总框图
2。1。2子框图的作用
(1)RC网络的作用
在电路中RC网络起着滤波的作用,滤掉不需要的信号,这样在对波形的选
取上起着至关重要的作用,通常主要由电阻和电容组成。
2)放大器的作用
电路中运用了同相输入运放,其闭环增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高,输出阻抗很低的特点,广泛用于前置放大级。
(3)反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端,称为反馈,其中的电路称为反馈网络,反馈网络分为正、负反馈。
2。
滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的频(通内具有均匀而稳定的增益,,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。
用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高,输入电阻低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用,这种滤波器的频率范围约为10—3Hz〜106Hz,频率稳定度可做到(10-3~10〜10-5)/摄氏度,频率精度为+(3〜5)%,并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便.
滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器等的技术指标有通带和阻带之分,通带指标有通带的边界频率(没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率),通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的衰减速度(即带沿的陡变).下面简要介绍设计中的考虑原则.(1)关于滤波器类型的选择
一阶滤波器电路最简单,但带外传输系数衰减慢,一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感,,可用低通滤波器和高通滤波器合成,这比单纯用带通滤波器要好
(2)级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或
高通电路可获得-6dB每倍频程(-20dB每十倍频程)的衰减,每二阶低通或高通电路可获得T2dB每倍频程(-40dB每十倍频程)的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和•当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程(或
mdB每十倍频程)时,则取级数n应满足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。
(3)运放的要求
在无特殊要求的情况下,可选用通用型运算放大器•为了满足足够深的反馈以保证所需滤波特性,运放的开环增应在80dB以上。对运放频率特性的要求,由其工作频率的上限确定,设工作频率的上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式:BWG大于等于(3-5)AefH,式中为滤波通带的传输系数。
如果滤波器的输入信号较小,例如在10mV以下,则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频,以至使RC网络中电阻元件的值超过100kQ,则应选低漂移高输入阻抗的运放。
(4)元器件的选择
一般设计滤波器时都要给定截止频率fc(sc)带内增益Av,以及品质因数Q()。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目,因此有许多个元件均可满足给定的要求,这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手,因为电容标称值的分档较少,电容难配,而电阻易配,。3初选电容值。
表1。
f
(1〜10)Hz
(10〜102)Hz
(102〜103)Hz
(1〜10)KHz
(10〜103)KHz
(102~103)KHz
C
(20〜1O)F
(10~)uF
(〜0。01)
uF
(104~103)pF
(103~102)pF
(102〜10)pF
设计原理与电路
3。1单元电路的设计
。1原理图设计
1)低通滤波器低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。
如图3。。1(a)所示,为典型的二阶有源低通滤波器•它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成,其中第一级电容c接至输出端,引入适量的正反馈,以改善幅频特性。
(b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
电路圉 皿频坐馬性
图3。
高通滤波器
高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。
将图3。1。1。1低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器,如图3。1。1。2(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反,其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系.
。2(b)为二阶高通滤波器幅频特性曲线。
扫)幅频待性
图3。
带通滤波器
带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过,而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。
典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图3。。3(a)所示•本电路的优点是改变R和R的比例就可改变频宽而不影响f 4
中心频率。
图3。1。(b)为二阶高通滤波器的幅频特性曲线。
(a)屯路图 (b)幅顾特性

3。
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号,因受运算放大器带宽限制,这类滤波器仅适用于低频范围,根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻四种滤波器,根据要求我们仅研究低通、高通、带通三种滤波器。它们的幅频特性如下图所示,具有理想特性的滤波器是很难实现的,只能用实际特性去逼近理想的,常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦响应和切比雪夫等波动响应。在不许带内有波动时,用巴特沃斯响应较好,如果给定带内所允许的纹波差,则切比雪夫响应较好。
(1)滤波器的传输函数
。1二阶RC滤波器的传输函数表
类型
传输函数
性能参数
低通
恥・
+詔
5c
4-
电压增益
高通
j2+—j+就S
叫-
——低、高通滤波器的截止角频率
%
-带通的中心角频率
带通
BW-
-一带通滤波器的带宽
(2)单元电路性能参数
1)低通滤波器
叫二阶低通滤波器的通带增益
2nKC 截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
2)高通滤波器
■二1十空
二阶高通滤波器的通带增益
沁截止频率,它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。
品质因数,它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
3)带通滤波器
艮十巳
U-I
通带增益
中心频率
[1八宀
2
通带宽度
选择性
3。2元件参数的计算
。1二阶低通滤波器
二阶低通滤波器性能参数表达式为
co2=1/(CCRR)
C 1 1
Q=
o/Q=1/RC+1/RC+(1+A)/RC
C 1 2 V21
A=1+R/R
V43
3。
二阶高通滤波器性能参数表达式为
o2=1/(CCRR)
C 1 1
Q=0。707
o/Q=1/RC+1/RC+(1+A)/RC
C 1 2 V21
AV=1+R/R
43
3。2。3二阶带通滤波器
二阶带通滤波器性能参数表达式为
o2=(1/R+1/R)/RC2
C 1 3 2
Q=o/B
0W
A=1+R/R(AW2)
V45V
:根据参数计算得的结果和市场上所出售的请况而选择,见附录清单.
电容的选择:根据电阻的确定和规定的截止频率而选择,见附录清单。
运放的选择:本电路选择了八管脚的UA741单运放。
其管脚图如下,