二阶高通滤波器

高通滤波器的设计专业：应用电子技术班级：2010级（1）班学号：201030210105姓名：焦义强指导老师：黄磊TOC\o"1-5"\h\z刖言 -3-\o"CurrentDocument"第一章设计任务 -4-\o"CurrentDocument"1.1设计任务及要求 -4-\o"CurrentDocument"1.2设计目的 -4-\o"CurrentDocument"第二章滤波器的基本理论 -4-\o"CurrentDocument"2.1滤波器的有关参数 -4-\o"CurrentDocument"2.2有源滤波和无源滤波 -6-\o"CurrentDocument"2.3高通滤波器 -7-\o"CurrentDocument"第三章滤波系统中二阶高通滤波器设计 -7-\o"CurrentDocument"3.1压控电压源二阶高通滤波电路 -7-\o"CurrentDocument"3.2所需软件前面板（软面板） -9-\o"CurrentDocument"3.3所需电子元件 -9-\o"CurrentDocument"3.4电路连线图 -10-\o"CurrentDocument"第四章二阶高通滤波电路的测试 -11-\o"CurrentDocument"4.1运放电路波形的输入与输出 -11-\o"CurrentDocument"4.2二阶高通运放的频率特性测试 -12-\o"CurrentDocument"第五章结论 -14-\o"CurrentDocument"5.1对本设计优缺点的分析 -14-\o"CurrentDocument"5.2结论与心得 -14-\o"CurrentDocument"附录一A741/LM741型运算放大器的资料 -15-\o"CurrentDocument"附录二参考文献 -16-滤波器可广义地理解为一个信号选择系统。它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。在更多地情况下，被窄义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻。频域与时域均衡器也是一种滤波器，通信系统的传输媒介如明线、电缆等从特性看也是滤波器。滤波器如系统一样可分为三类：模拟滤波器、采样滤波器和数字滤波器。模拟滤波器(AF)可以是由RLC构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，它们是连续时间系统。采样滤波器(SF)由电阻、电容、电荷转移器件、运放等组成，属于离散时间系统，其幅度是连续的。开关电容滤波器、电荷耦合滤波器均属这类滤波器。数字滤波器(DF)由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲滤波器及逻辑单元等数字电路构成。它精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以分时复用，能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。其缺点是需要抽样、量化、编码。以及受时钟频率所限，所能处理的信号最高频率还不够高。另外，由于有限字长效应会造成域设计值的频率偏差、量化和运算噪声及极限环振荡。LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块迷失用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时LabVIEW继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化实际，这种结构的实际增强了程序的可读性。LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。以LabVIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。本次课程设计就是在LabVIEW基础上设计一个模拟滤波器一一高通滤波器。并从中学习和了解LabVIEW的运用。第一章设计任务1.1设计任务及要求用压控电压源设计电路截止频率fc=160Hz通带电压放大倍数Aup=2品质因数Q=11.2设计目的了解滤波器的工作特点掌握电子系统的一般设计方法掌握常用元器件的识别和测试培养综合应用所学知识来指导实践的能力熟悉NIEVISII的使用，了解电路调试的基本方法进一步提咼自己的动手实践能力掌握专业课程设计报告的格式及流程第二章滤波器的基本理论2・1滤波器的有关参数实际滤波器的基本参数：理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。纹波幅度d：在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。截止频率fc:幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。带宽B和品质因数Q值:上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数， Q=l/2g（g——阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率f0（）和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。倍频程选择性W:在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量或倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用 10倍频程衰减数表示之。即］dB/10oct］。滤波器因数（或矩形系数）：滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式，它是利用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，理想滤波器=1，常用滤波器=1-5，显然，越接近于1,滤波器选择性越好。？滤波器的截止频率用来说明电路频率特性指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。在高频端和低频端各有一个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。db的计算公式是20*log10(x),x为信号某一个频率上真正的幅值。用滤波器去测试其截止频率，保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍。所测值为其截止频率。滤波器的带宽为两个截止频率之间的频率范围又称为通频带。2.2有源滤波和无源滤波无源滤波器通常是用电阻，电容，电感这些无源器件构成的，无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。有源滤波器：集成运放和R、C组成,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。而有源滤波器常包含运放等要接外部电源才能工作的器件。通常有源滤波的效果较好。无源滤波器：集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95%以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源。一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态，给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80%，对基波的无功补偿也是一定的。目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。有源滤波器与无源滤波器相比，有以下特点：不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。2.3高通滤波器高通滤波器，是去掉信号中不必要的低频成分，去掉低频干扰的滤波器；在电力系统中，谐波补偿时用高通滤波器滤除某次及其以上的各次谐波。高通滤波器是指车载功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动扬声器的中音和高音单元。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单兀。第三章滤波系统中二阶高通滤波器设计3.1压控电压源二阶高通滤波电路电路如图3-1所示：

通带增益:Aup二1+通带增益:RiAup表示二阶高通滤波器的通带电压放大倍数截止频率:品质因数:电压放大倍数:13-Aup(j品质因数:电压放大倍数:13-Aup(j®RC》Aup—1+(3-Aup屆RC+(j®RC\Aup图图3-1压控电压源二阶高通滤波电路该电路对数幅频特性如图3-2所示：-20--30-/-40fIII|_——I 1 >0.20.512 10f/fo图3-2二阶高通滤波器对数幅频特性3.2所需软件前面板（软面板）数字万用表（DMM）函数发生器（FGEN）示波器（示波器）阻抗分析仪波特分析仪（波特）3・3所需电子元件10k0电阻，Rl,Rf1k0电阻，R1uF电容，C741运算放大器

3.4电路连线图1.在NIELVISII面板上连接与如图3-3所示相似的电路图3-3在NIELVISII面板上的741运放电路注意：该运放采用+15VDC和-15VDC的电源供应。它们可以在该面板上标记为“DC电源供应+15V、-15V与接地”的引脚插座上找到。将该函数发生器［FGEN］的引脚插座与该运放的输入V相连接。I将［接地］引脚通过一个电阻R与该运放的引脚3相连。将该运放的输出电压V与该示波器的BNC输入连线端子［CH1与接地］相连O接。5.将输入（V）与输出I（V）O信号与模拟输入引脚按如下方式相连接V+IAI0+（来自该FGEN的输出）V-IAI0-（来自接地）V+OAI1+（来自运放的输出）V-AI1-（来自接地）O第四章二阶高通滤波电路的测试4.1运放电路波形的输入与输岀1•在函数发生器的面板上，设置下列参数:波形:正弦波波峰幅值：0.2Vpp频率：1kHzDC偏置：0.0V起始频率：100Hz停止频率：1kHz步进频率：100Hz单步执行时间：1s图4-1函数发生器面板参数设置

波形图的观测给该NIELVISII面板加电。点击FGEN与示波器的［运行］按钮。设置触发信号为边缘触发、AI0、电压水平为0.0和事件标度为1ms。在该示波器窗口测量该运放的输入(AIO)和输出(AI1)的幅值，如图4-2所示。图4-2运放的输入与输出信号注意：该输出信号如预期与输入信号同向，电压增益(幅值之比，AI1/AI0)为2。

4.2二阶高通运放的频率特性测试通过波特分析仪测得该二阶高通滤波器幅频响应和相频响应如图4-3所示,^BodeAnalyzer一HIELVISu^LaWlEW-50.0-10.0-20a0-30a0吨0-^o.o- !5 10130.0T1001000Frequency(Hz)120.0100.080.050.0-140.0-160.0-20.00.0-20a05 10 100 1000FrequencyQH刃Frequency(Hz)19905.34Phase(deg)-1.55 Gain1.95Gain(dB)6.001QQ00199051000019905^LaWlEW-50.0-10.0-20a0-30a0吨0-^o.o- !5 10130.0T1001000Frequency(Hz)120.0100.080.050.0-140.0-160.0-20.00.0-20a05 10 100 1000FrequencyQH刃Frequency(Hz)19905.34Phase(deg)-1.55 Gain1.95Gain(dB)6.001QQ00199051000019905MeasurementSettingsStimulusChannmlResponseCh吕仃nmlPT]Autos匚对己Cursor(Real)vCursorSettingsIICursorsOnPositionLeft:◊◊RightStopFrequen匚丫20.00k0HzGraphSettingsFlappingLogarithmi匚vNormalvAIDvAl1StartFrequen匚y5.000|hzStepsPeakAmplitude10$:perdecade)Op-AmpSignalPolarity图4-3二阶高通滤波器幅频响应和相频响应第五章结论5.1对本设计优缺点的分析本次课程设计我们主要根据要求中的提示，首先确定了各个部位元件的类型，在充分分析和掌握了滤波电路的工作原理进行了认真仔细的计算和公式的推倒，最终掌握了具有一般性的相关公式，当然，在公式的验算中为了简化公式，也采取了一些小技巧，在确定满足课题要求的情况下，令电容相等，从而大大简化了计算过程，但是在设计的诸多方面（电路的稳定性，参数选择的优越性，电路的调试等）存在不足之处。5.2结论与心得1、 由实验可知，当频率f为通带截止频率fc时，输出电压Uo约为最大输出电压的0.707倍，即丨Au1^0.707|AuP|o2、 由实验可知，高通滤波器削弱低频信号，只放大频率高于fc的信号，我们可把高通滤波器用于交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分。3、 实验中，监测的波形没有失真，说明只要正反馈引入得到，就能在f=fo时使电压放大