有源高通滤波器的设计

新疆大学课程设计报告所属院系：电气工程学院专业：课程名称：模拟电子技术课程设计设计题目：有源高通滤波器的设计班级：姓名：学生学号：指导老师:完成日期：2014.06.20课程设计题目：有源高通滤波器的设计要求完成的内容：设计一个有源高通滤波器。技术指标要求为：下限截止频率为fL=100Hz，通带电压放大增益|Av|=5，在f=0.1fL时，幅值衰减大于50dB。建议运算放大器选取（LM741或LM353）。要求：（1）根据设计要求，确定电路的设计方案，初选电路元器件，设置参数。（2）仿真分析、测量电路的相关参数，修改、复核，使之满足设计要求。（3）综合分析计算电路参数，验证满足设计要求后，认真完成设计报告。评分标准：（1）设计思路是否清晰；（2）单元电路正确与否；（3）整体电路是否完整及满足设计要求；（4）说理说明是否正确；（5）报告格式及版面是否清晰；（6）答辩过程中回答问题是否正确。指导教师评语：评定成绩为：指导教师签名：2014年6月20日有源高通滤波器的设计滤波器简介及其原理1.滤波器简介滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，广泛应用于电力系统、通信发射机与接收机等电子设备中，它能减弱或消除谐波的危害，对无用信号尽可能大的衰减，让有用信号尽可能无衰减的通过，从而纠正信号波形畸变。所以，无论信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术。2.滤波器原理滤波器是一个二端口网络，实现对输入信号的某些频率选择性通过的功能，而使其它频率的信号受到衰减或抑制。实现这些功能的网络是振荡回路，即由RLC元件或RC元件构成的滤波器，也可以是由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。然后通过有源器件集成运放放大，实现滤波放大功能。设计方案基本原理：根据滤波器基本原理的介绍，可得出基本框图，如图1所示：输入信号输入信号滤波电路集成运放反馈电路输出信号图1有源高通滤波器的原理图而此次所要设计的有源高通滤波器要求通带电压放大增益|Av|=5，在f=0.1fL时，幅值衰减大于50dB。由于在高通滤波器中，当角频率小于截止角频率（即w<wc）时，传递函数随W增加以n×20dB/十倍程上升，所以为了满足上述要求，我们可以采取三阶或四阶有源高通滤波电路。我们在此选择了四阶有源高通滤波电路（当f=0.1fL,幅值衰减80dB）。单元电路的设计计算1.电路的结构第二部分第一部分第二部分第一部分 图2四阶高通滤波电路示意图该四阶高通滤波电路由两部分结构相似的二阶滤波电路共同构成（如上图2所示）。有源高通滤波器要求通带电压放大增益|Av|=5，由Av =A1*A2（式1）可以将一二部分的电压增益分别设定为A1=2.5，A2=2，以满足总的通带电压放大增益|Av|=5。核心元件选择指导老师建议使用的两种运算放大器为LM741型和LM353型，从中任选一种，选取了LM741型（仿真中实际为LM741J）。电路元件选择由所学知识可知，电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻器的阻值一般应在几百千欧以内，现选择C11=C12=C21=C22=C=270nF,根据R=1/(2πfcC)(式2)并将fc=100Hz，C=270nF带入，求得R11=R12=R21=R22=R≈5.89KΩ,选择标准电阻R=5.90KΩ，这与计算值有一点误差，可能会导致实际的截止频率比额定值有所降低。在选择R5，R6,RF1,和RF2时，为了减少偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地直流电阻基本相同。现选择RF1,=8.06KΩ，RF2=5.90KΩ，由于我们需要达到A1=2.5，A2=2的设计要求，故根据A1=1+RF1/R5，A2=1+RF2/R6(式3)可以得到R5=5.36KΩ，R6=5.90KΩ参数复核将以上设定及所求得各参数：C11=C12=C21=C22=C=270nF，R11=R12=R21=R22=R≈5.89KΩ,R5=5.36KΩ，R6=5.90KΩ反代回电路中，结合（式2）(式3)可以计算出第一部分的电压增益A1=2.5，第一部分的电压增益，A2=2，再结合（式1），可以求得Av=A1*A2=2.5×2=5，满足有源高通滤波器要求通带电压放大增益|Av|=5的要求，且为四阶电路，理论上当f=0.1fL,幅值衰减80dB，也满足了在f=0.1fL时，幅值衰减大于50dB的设计要求。通过以上复核过程，可知该四阶高通滤波电路各参数的选取符合条件，可以满足设计要求。总体设计总电路图如下所示图5四阶高通滤波仿真电路图元件明细表表1元器件明细表名称R1R2R3R4R5R6R7R8阻值（KΩ）5.905.905.905.908.065.365.905.90名称C1C2C3C4容量（nF）270270270270名称示波器扫频仪交流电压源代号XSC1XBP1——数量111综合分析计算R=1/(2πfcC)选定C1=C2=C3=C4=C=270nF，则R1=R3=R4=R2=R7=R8=5.90KΩ计算求得A1=1+R5/R6=1+8.06KΩ/5.36KΩ=2.5A2=1+R7/R8=1+5.90KΩ/5.90KΩ=2Av=A1*A2=2.5*2=5仿真1.当电源频率f=1kHZ时，示波器显示输出如下:图6f=1kHZ波形由图可知，在输入信号频率f=1kHZ时，信号无损通过滤波器，通频带放大倍数为5，满足设计要求。当电源频率f=1kHZ时，示波器显示输出如下:图7f=100HZ波形由图可知，当信号频率低于截止频率时，输出信号被抑制，起到滤波作用。幅频特性当信号频率f=100HZ时幅频特性如图所示：图8f=100HZ当信号频率f=10HZ时幅频特性如图所示：图9f=10HZ通过上面图8和图9的对比，我们可以看到，当信号频率由原来的100HZ降为十分之一也就是10HZ时，传递函数的值由原来的19.148dB降为了-65.075dB，下降了约80dB，既，既满足在f=0.1fL时，幅值衰减大于50dB的设计要求。且验证了四阶电路，理论上当f=0.1fL,幅值衰减80dB的结论。图10交流分析幅相频特性纵坐标单位：幅频特性是dB，相频特性是度。横坐标单位：幅频特性与相频特性均是HZ。由幅频特性图可以看到，滤波器的截止频率处，对应的横坐标是95.627HZ，对应的对数坐标为19.148dB。由相频特性图可以看到，接近于截止频率处时，对应的相位偏移接近180，与理论计算相似，在误差允许下验证了设计的准确性接线验证为了再进一步地对所设计的的电路进行验证，除了通过上述的仿真过程，还在实验室进行了接线验证工作。由于实验室硬件条件所限，一时间无法满足搭建整个四阶电路的要求。于是小组征得指导老师同意后，搭建了二阶高通滤波电路，原理如下图所示：图11压控电压源二阶高通滤波电路具体的接线情况以及得到的实际波形如下图12和图13所示：图12二阶高通滤波电路接线图13二阶高通滤波实际波形图通过以上的二阶电路的接线操作，可以从实践的角度对我们的设计电路进行充分的验证。从得出的实际波形图可以看出，与我们在计算机仿真中得到的结果基本一致。再度印证了设计电路及所选取的各元件参数是符合设计要求的。小结通过本次设计深刻理解了滤波器的工作特点，掌握了电子系统的一般设计方法，常用元器件的识别能力和测试培养综合应用所学知识来指导实践的能力。进一步熟悉了常用仪表，了解了电路调试的基本方法。更重要的是，掌握了撰写设计报告的格式及流程，进一步提高了自己的动手实践能力。但是，从中所暴露出的问题更值得重视。