哈工大电信学院模拟电子线路大作业课件

1、基于KHN滤波器的多功能二阶通用滤波器 同组人:班级：时间:2013年 月 日摘要：滤波电路是一种能让需要频段的信号顺利通过，而对其他频段信号起抑制作用的电路。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力。在这种滤波电路中，把能顺利通过的频率范围，称为“通频带”；反之，受到衰减或完全被抑制的频率范围，称为“阻带”；两者之间频率特性发生变化的频率范围，称为“过渡带”。通常可分为：低通滤波电路（LPF）、高通滤

2、波电路（HPF）、带通滤波电路（BPF）、带阻滤波电路（BEF）、全通滤波电路（APF） 。该设计是用4个集成运放和多个电容、电阻设计成3输入和3输出的多功能滤波器：当输入不一样时，同一个输出可能得到不同的滤波器类型；同样，当输出不一样时，同一输入也可能得到不同的滤波器类型。另外，对该电路的电阻和电容值进行适当的调整，就可以把该电路改变成一个可以产生正交振荡的电路，从而可以作为一个正弦波发生器使用。关键词：集成运算放大器、二阶通用滤波器、orCAD仿真、自激振荡一、功能说明及背景 基于通用集成运算放大器设计了一个多功能二阶通用滤波器，能同时或分别实现低通、高通和带通滤波。通过对电路各参数的设定

3、，可以分别实现以上的功能。并且电路的极点频率和品质因数能够独立、精确地调节。我们已知通用二阶滤波器有两种形式，一种是TT(Tow-Thomas)滤波器，另一种是KHN(Kerwin-Huelsman-Newcomb)滤波器。与TT滤波器相比，KHN滤波器不仅能直接实现低通和带通滤波，还能实现高通滤波，应用广泛，是现代电流模式滤波器设计的基础。然而KHN滤波器属于单输入、三输出的通用滤波器，不能实现三输入、单输出通用滤波。由于电阻比有限，因此其Q值不能太高。三个集成运放中，有一个运放的反相端不满足虚地，则对运放提出较高要求。鉴于KHN滤波器在现代电流模式电路中的地位，提出了另一种形式的KHN滤波

4、器，它不仅能实现单输入、三输出的通用滤波，也能实现三输入、单输出通用滤波，电路的极点频率和品质因数能够被独立、精确的调节，电路也能被修饰成一个正交振荡器。二、系统设计框图与系统说明图1我们设计的系统框图如图1，该系统由三个滤波电路系统的一个反馈系统组成，可以有r1， r2，r3三个输入，并且可以对应三个输出相应，以此来完成信号的低通，带通，高通的操作和进行自激震荡的研究。但由于能力所限，只能对单一的输入进行分析，即一次输入的信号只有一个。通过对输入的信号进行频域分析，将输入的信号的频域从负无穷到正无穷的频率里获得我们所需要的波的频率，实现滤波功能。当改变其中一些电路参数时，惊奇的发现，可以获得

5、一个较为完美的自激震荡器。三、各功能电路设计为实现多功能滤波的功能，我们设计的整体的电路图如图2所示：图2其中，4个集成运算放大器采用的都是LM324型运放。该运放虽然功能普通，但适合于绝大多数电路设计的需要，而同时我们设计的这个电路图不需要太复杂的集成运放。运放1组成的是反向输入型一阶有源低通滤波器，运放2组成的依然是反向输入型一阶有源低通滤波器，运放3组成的是反向比例运算放大电路，运放4充当的是反馈回路中的一部分。单个运放电路虽然简单，但相互之间组成的就是高阶的滤波电路。经过我们的数据分析和仿真后，发现确实能够实现我们需要的低通，高通和带通功能，并且当电阻阻值一定时，我们可以得到一个正交振

6、荡器。电阻采用的都是普通的电阻，阻值大致在千欧姆级别，电阻的阻值需要精确些。电容也是普通电容，电容大致为微法拉级别。电路中使用的直流电源用于提供集成运放运作，电压为15伏特。在进行电路分析时，由于我们无法准确模拟生活中接触到的所有信号，所以便以不同频率的正弦波来替代所需的输入信号，最后观察输出信号的频谱来证明设计电路图的正确性。在电路图中，我们可以使用的输入端有3个，分别为：Vi1，Vi2，Vi3；可以使用的输出端也有三个，分别为：Vo1,Vo2,Vo3。由于所选择的电路输出端和输入端的不同，我们可以模拟出9种情况，分别是：1.Vi1输入，Vo1输出；2.Vi1输入，Vo2输出；3.Vi1输入

7、，Vo3输出；4.Vi2输入,Vo1输出；5.Vi2输入,Vo2输出；6.Vi2输入,Vo3输出；7.Vi3输入,Vo1输出；8.Vi3输入,Vo2输出；9.Vi3输入,Vo3输出。为更快的分析9种情况下输入信号的频率特性，我们选择将它们分成3部分进行分析，以获得我们所需要的高通，低通和带通功能。（1） 以Vi1作为输入端：设计的电路如图3所示：图3将正弦波于Vi1端口输入，改变正弦波频率，得到3个输出端口的幅频曲线，分析频率特征；（2） 以Vi2作为输入端设计的电路如图4所示：图4将正弦波于Vi2端口输入，改变正弦波频率，得到3个输出端口的幅频曲线，分析频率特征；（3） 以Vi3作为输入端设

8、计的电路如图5所示：图5将正弦波于Vi3端口输入，改变正弦波频率，得到3个输出端口的幅频曲线，分析频率特征；四、相关模拟电路的电路静态、动态计算模拟电路的电路图为图6：图6、当输入只有，接地时，计算过程和结果如下：由式（1）知：当以作为输入，以作为输出时，该滤波电路没有明确的滤波功能；由式（2）、（3）知：以作为输入，以作为输出时，该滤波电路可作为低通滤波器。、当输入只有，接地时，计算过程和结果如下：由式（4）知：当以作为输入，以作为输出时，该滤波电路可作为低通滤波器；由式（5）、（6）知：以作为输入，以作为输出时，该滤波电路可作为带通滤波器。、当输入只有，接地时，计算过程和结果如下：由式（7

9、）知：以作为输入，满足条件（R4R3）-1=K-1=1，以作为输出时，该滤波电路可作为带通滤波器；由式（9）知：以作为输入，以作为输出时，该滤波电路可作为高通滤波器；综上所述： 、以作为输入时：以作为输出时，该滤波电路没有明确的滤波功能；以作为输出时，该滤波电路可作为低通滤波器。 、当以作为输入：以作为输出时，该滤波电路可作为低通滤波器；以作为输出时，该滤波电路可作为带通滤波器。 、以作为输入：以作为输出时，该滤波电路可作为带通滤波器；以Vo2作为输出时，该滤波电路没有明确的滤波功能；以作为输出时，该滤波电路可作为高通滤波器；以作为输出满足条件（R4R3）-1=K-1=1，时，该滤波电路可作为

10、带通滤波器。五、各功能电路输入输出波形软件仿真与说明为了得到可靠的实验结果，我们使用了orCAD软件进行输出波形的仿真，并将仿真结果和我们计算的到的结果进行比较分析。仿真中，我们设R1=R2=R，C1=C2=C，R3=R4=R5=R6=R。（1）取R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R9=R10=10 k，C1=C2=C=10 nF， R11=20 k。、 以Vi1作为输入端：在orCAD中我们设计的电路图为图7：图7仿真后得到的幅频曲线如图8：图8从仿真结果可知：当输入只有，接地时，从输出的波形失真比较严重，虽然可以看出其有低通的性质，但不宜采纳；从输出的波形具有很明显的低通性质

11、，频率在小于2 kHz的时候被屏蔽且波形失真不严重。与理论计算过程中所得出的结论相比：以作为输出时，该滤波电路没有明确的滤波功能；以作为输出时，该滤波电路可作为低通滤波器。由软件仿真得到的结果比较相似，说明设计的电路在此方面具有实现的可能性。通过调整R与R的值发现，两者的比例不同可以改变电路中低通滤波的截止频率。、以Vi2作为输入端：在orCAD中我们设计的电路图为图9：图9仿真后得到的幅频曲线如图10：图10仿真结果可知：当输入只有Vi2，接地时，从Vo1输出的波形具有很明显的低通性质，频率在小于2 kHz的时候被屏蔽且波形失真不严重，可以采用；从输出的波形具有很明显的带通性质，频率在小于3

12、 kHz大于1 kHz的时候波形能通过且衰减幅度很小，其他的频率段都不能通过，屏蔽的效果比较好。与理论计算过程中所得出的结论相比：以作为输出时，该滤波电路可作为低通滤波器；以作为输出时，该滤波电路可作为带通滤波器。由软件仿真得到的结果比较相似，说明设计的电路在此方面具有实现的可能性。通过调整R与R的值发现，两者的比例不同可以改变电路低通滤波和带通滤波的截止频率。以Vi3作为输入端：在orCAD中我们设计的电路图为图11：图11仿真后得到的幅频曲线如图12：图12仿真结果可知：当输入只有Vi3，接地时，从Vo1输出的波形具有很明显的带通性质，频率在小于3 kHz大于1 kHz的时候被屏蔽且波形失

13、真不严重，可以采用；从Vo2输出的波形虽然具有低通性质，但其的波动失真比较严重，不易采纳；以作为输出时，在频率小于3000 kHz的时候波形都能很好的通过，因此该输出可以视为在不高的频率下，电路能实现高通的功能，成为一个高通滤波器；通过和理论计算的结合，我们发现，当作为输出并满足条件（R4R3）-1=K-1=1时，可以作为更精确的带通滤波器实现带通功能。与理论计算过程中所得出的结论相比：以作为输出时，该滤波电路可作为带通滤波器；以Vo2作为输出时，该滤波电路没有明确的滤波功能；以作为输出时，该滤波电路可作为高通滤波器；以作为输出满足条件（R4R3）-1=K-1=1，时，该滤波电路可作为带通滤波

14、器。由软件仿真得到的结果比较相似，说明设计的电路在此方面具有实现的可能性。通过调整R与R的值发现，两者比例不同可以改变电路低通滤波和带通滤波以及高通滤波的截止频率。 正交震荡器的模拟取R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R7=R9=R10=10 k，C1=C2=C=10 nF， R11=10 k。在orCAD中我们设计的电路图为图13：图13仿真后得到的幅频曲线如图14：图14仿真结果可知：在R4R3=1时，能够产生如仿真结果的具有单一频率的正弦波。同理，当改变R与R 的值时，能更改产生正弦波的频率，直到得到我们想要的频率。这项正交震荡的能力为原来的多功能滤波器提供了更多的价值，用一个滤

15、波器通电也能输出频率可调的的稳定正弦波。不过这种能力还只存在于模拟理论中，实际中很难做到使几个电阻的阻值保持一致，也很难让LM324变成理想运放，所以此种能力还需经过更多的实验证明。六、设计分工说明 分工说明：课题由我们经过一天的讨论，决定我们想做滤波器的创新。 根据我们每个人的专长，比如郑成功的知识基础扎实，林志远的创新想法奇特，而殷晓超的逻辑组织能力较强，所以我们的分工如下： 林志远负责电路图的设计，和利用模拟仿真软件模拟； 郑成功负责对电路的分析，验证其可性能和可行性。 殷晓超负责最终的论文的撰写，并从旁辅助两人。七、心得与结论 我们三个人经过一周的选题目，分析题目，最终完成了这项作业。

16、在这次的大作业中，我们从一开始热情高涨，到偶有失落；从喋喋不休的讨论到团结一致的合作。复杂心情，点点滴滴无不令我们回味无穷，同时，也收获宝贵的经验。通过此次的作业，我们有一下的体会：1、 理论与实践相结合的重要性。只有理论知识是远远不够的，通过本次大作业，我深刻的认识到，只有把所学的理论知识与实践结合起来，才能真正的提高自己的动手能力和独立思考能力，同时，在练习过程中也发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，对知识理解片面，无法满足对作业设计的要求。对电子设计的软件应用不熟练，消耗了不少时间来学习它。2、 团队的合作的重要性。一个成功的作品离不开一个默契的团队，在团队中我不仅体会到了彼此分享知识的快乐，而且还加强了彼此之间的友谊和默契。我们之间优劣互补，彼此分工明确，又相互合作，互帮互助，对我们早日完成作业起到很重要的关系。3、 合理利用资料，掌握查找资料的方法 在设计过程中，我们经常会遇到这样那样的情况，就是心里想