有源帶通濾波器設(shè)計(jì)

1、二階有源模擬帶通濾波器設(shè)計(jì)摘要 濾波器是一種具有頻率選擇功能的電路，它能使有用的頻率信號(hào)通過。而同時(shí)抑制(或衰減)不需要傳送頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。實(shí)際工程上常用它來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等，目前在通訊、聲納、測(cè)控、儀器儀表等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。 以往這種濾波電路主要采用無(wú)源元件r、l和c組成，60年代以來(lái)，集成運(yùn)放獲得迅速發(fā)展，由它和r、c組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗比較低，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。 通常用頻率響應(yīng)來(lái)描述濾波器的特性。對(duì)于濾波器的幅頻響應(yīng)，常把能夠通過信號(hào)的頻

2、率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減信號(hào)的頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率。 濾波器在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無(wú)限大的幅度衰減。按照通帶和阻帶的位置分布，濾波器通常分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。文中結(jié)合實(shí)例，介紹了設(shè)計(jì)一個(gè)二階有源模擬帶通濾波器。 設(shè)計(jì)中用rc網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，組成電路選用lm324不僅可以濾波，還可以進(jìn)行放大。關(guān)鍵字：帶通濾波器 lm324 rc網(wǎng)絡(luò)目錄目錄4第一章 設(shè)計(jì)要求51.1基本要求5第二章 方案選擇及原理分析62.1.方案選擇62.2 原理分析7第三章 電路設(shè)計(jì)93.1 實(shí)現(xiàn)電路93.2參數(shù)

3、設(shè)計(jì)93.3電路仿真111.仿真步驟及結(jié)果112.結(jié)果分析13第四章 電路安裝與調(diào)試144.1實(shí)驗(yàn)安裝過程144.2 調(diào)試過程及結(jié)果144.2.1 遇到的問題144.2.2 解決方法144.2.3 調(diào)試結(jié)果與分析14結(jié)論15參考文獻(xiàn)16第一章 設(shè)計(jì)要求1.1基本要求1、設(shè)計(jì)帶通濾波器。2、能夠?qū)崿F(xiàn)頻帶在628hz1628hz的帶通濾波。第二章 方案選擇及原理分析2.1.方案選擇濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號(hào)的功能。按電路組成分可分為：lc無(wú)源、rc無(wú)源、由特殊元件構(gòu)成的無(wú)源濾波器、rc有源濾波器。模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來(lái)描述。傳遞函數(shù)是輸出

4、與輸入信號(hào)電壓或電流拉氏變換之比。h ( j ) 表達(dá)了在單位信號(hào)輸入情況下的輸出信號(hào)隨頻率變化的關(guān)系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡(jiǎn)稱頻率特性。頻率特性h ( j )是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值a ( )稱為幅頻特性，其幅角(w)表示輸出信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)相位的變化，稱為相頻特性。常用的濾波器有有源和無(wú)源兩種，無(wú)源濾波器即為由無(wú)源原件組成如 l、r和c組成。下圖為一階rc低通濾波電路。 圖一 一階rc低通濾波電路其幅頻特性和相頻特性如下圖二 幅頻特性和相頻特性無(wú)源濾波器電路的通帶放大倍數(shù)和其截止頻率都隨負(fù)載而變化，這一點(diǎn)不符合信號(hào)處理的要求，因而產(chǎn)生有源濾波電路。有源濾波器有源濾波器實(shí)際上是一種

5、具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些r、c等無(wú)源元件而構(gòu)成的。下圖為簡(jiǎn)單的有源一階濾波器。 圖三 rc有源濾波器集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗比較低，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。由集成和r、c組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還具有一定的增益，且因輸入與輸出之間有良好的隔離而便于級(jí)聯(lián)。由于大多數(shù)反映生理信息的光電信號(hào)具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因而rc有源濾波器普遍應(yīng)用于光電弱信號(hào)檢測(cè)電路中。有源濾波器的性能更加好.綜合以上分析，本次設(shè)計(jì)選用有源濾波器。2.2 原理分析本實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)帶通濾波，設(shè)

6、計(jì)采用有源二階網(wǎng)絡(luò)完成。將一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器串聯(lián)即可得到一個(gè)帶通濾波器。 圖四 帶通濾波器電路圖二階有源模擬帶通濾波器電路，如圖四所示。圖中r1、c2組成低通網(wǎng)絡(luò)，r3、c1組成高通網(wǎng)絡(luò)，a、ra、rb組成了同相比例放大電路，三者共同組成了具有放大作用的二階有源模擬帶通濾波器，以下均簡(jiǎn)稱為二階帶通濾波器。與一階rc濾波電路相比，二階rc濾波電路對(duì)通頻帶外信號(hào)的抑制能力更強(qiáng)，濾波效果更好。二階 rc電路移相范圍為180，比一階電路移相范圍更大。二階 rc濾波電路不僅能實(shí)現(xiàn)低通和高通濾波特性，還可實(shí)現(xiàn)帶通濾波特性。其幅頻特性如下所示 圖五 帶通濾波器幅頻特性圖中，當(dāng)=0時(shí)，電壓放大倍數(shù)

7、最大。帶通濾波器的通頻帶寬度為bw0.7=0(2q)=f0q，顯然q值越高，則通頻帶越窄。在通頻帶內(nèi)濾波器幅度是平坦的，而通帶外的各種干擾信號(hào)卻具有無(wú)限抑制能力。各種帶通濾波器總是力求趨近理想矩形特性。通帶截頻: fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。阻帶截頻: fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。 第三章 電路設(shè)計(jì)3.1 實(shí)現(xiàn)電路 有源二階帶通濾波器的電路圖設(shè)計(jì)如下所示：圖六 二階有源帶通濾波器電路圖 圖中r1、c2組成低通網(wǎng)絡(luò)，r3、c1組成高通網(wǎng)絡(luò)，a、ra、rb組成了同相比

8、例放大電路，三者共同組成了具有放大作用的二階有源模擬帶通濾波器3.2參數(shù)設(shè)計(jì)為同相比例運(yùn)算電路的輸入，比例系數(shù)為：當(dāng)時(shí)，電路的傳遞函數(shù)為：令中心頻率為電壓放大倍數(shù)為： 當(dāng)時(shí)，得出通帶放大倍數(shù)為：經(jīng)過計(jì)算，得到下限截止頻率和上限截止頻率分別為： 已知，通頻帶為：設(shè)計(jì)參數(shù)為：，, 代入以上公式可得：， ， ， 通頻帶為：值得注意的是，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，首先要根據(jù)式(3)確定帶通濾波器的中心頻率，因?yàn)槎A帶通濾波器中的元器件比較多，相互干系也比較煩瑣。首先確定中心頻率對(duì)以后的數(shù)值計(jì)算會(huì)有很大的簡(jiǎn)化。為了方便，也可以取r1=r3=r，c1=c2=c，ra=rb=r，如果想設(shè)計(jì)一個(gè)帶放大的帶通濾波器，可以根

9、據(jù)式(2)或者根據(jù)有源帶通濾波器的同相放大倍數(shù)在確定了其它數(shù)值后適當(dāng)改變r(jià)a和rb的值得到你想要的放大倍數(shù)。這里建議不要隨意大幅度改變r(jià)a和rb的值，因?yàn)楦鶕?jù)式(4)可以看出在確定了其他數(shù)值后改變r(jià)a和rb會(huì)影響q值，而q值的大小直接影響到電路的工作狀態(tài)是否穩(wěn)定。此外，q值對(duì)元器件數(shù)值的大小比較敏感，所以在選擇元器件時(shí)盡量選取精度較高的器件。3.3電路仿真1.仿真步驟及結(jié)果按上述電路圖和設(shè)計(jì)參數(shù)連接電路圖，得結(jié)果如下所示（1）.f=1000hz 此為中心頻率，因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)增益為2，所以輸出信號(hào)較輸入放大兩倍。（2）.f=100hz 通頻帶設(shè)計(jì)為500-2000，此處輸入頻率在頻帶之外，輸出

10、，信號(hào)發(fā)生衰減（3）.f=10000hz 通頻帶設(shè)計(jì)為500-2000，此處輸入頻率在頻帶之外，輸出，信號(hào)發(fā)生衰減2.結(jié)果分析從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1000hz時(shí)，輸出信號(hào)的幅值放大了兩倍，且輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為10000hz時(shí)，輸出信號(hào)的幅值衰減到了幾乎為零，并且輸入輸出信號(hào)的相位不同相。當(dāng)輸出信號(hào)的幅值為100hz時(shí)，此時(shí)的輸出信號(hào)與10000hz時(shí)相同，輸出信號(hào)的幅值衰減到了幾乎為零，并且輸入輸出信號(hào)的相位不同相。從上面的仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的濾波器可以允許頻率為中心頻率1000hz左右的信號(hào)通過，而在通帶之外的信號(hào)則不能通過。說明該濾波器實(shí)現(xiàn)了帶通濾波

11、功能，該設(shè)計(jì)方案是可行的。第四章 電路安裝與調(diào)試4.1實(shí)驗(yàn)安裝過程（1）按電路圖列好元器件清單，領(lǐng)好元器件。（2）按電路圖進(jìn)行焊接。（3）焊完電路之后檢查是否有錯(cuò)焊、虛焊、漏焊之處。（4）上電調(diào)試，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（5）根據(jù)試驗(yàn)中的問題進(jìn)行相應(yīng)的檢查、改正和改進(jìn)。4.2 調(diào)試結(jié)果與分析經(jīng)過反復(fù)地檢查修改，電路能正常顯示相應(yīng)的現(xiàn)象。但由于焊接過程中出現(xiàn)了較多錯(cuò)誤多次改正，焊板線路比較凌亂，有一些地方接觸不良，所以在后期，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)斷時(shí)續(xù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，該部分電路設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單有效，是可行的。其次，由于電路經(jīng)過多次的改正和重焊，線路有些部位接觸不良，連線比較混亂，影響了實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明此設(shè)計(jì)

12、方案可行，但仍存在不足之處。結(jié)論本課題主要是要完成對(duì)帶通濾波器的電路設(shè)計(jì)。帶通濾波器是由低通rc環(huán)節(jié)和高通rc環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻率設(shè)置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。 要想獲得好的濾波特性，一般需要較高的階數(shù)。濾波器的設(shè)計(jì)計(jì)算十分麻煩，需要時(shí)可借助于工程計(jì)算曲線和有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。雖然由集成運(yùn)放和r、c組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕，集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，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等優(yōu)點(diǎn)。但是因其品質(zhì)因素q值無(wú)法做的很大，也就導(dǎo)致其通頻帶寬度無(wú)法做的很窄，造成了該濾波器對(duì)頻率的選擇性不是很好，對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力也不是很強(qiáng)，所以在選擇設(shè)計(jì)濾波器方案的同時(shí)，要注意結(jié)合實(shí)際情況，在滿足實(shí)際要求的狀態(tài)下合理選用濾波器的設(shè)計(jì)方案。本次課程設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用模擬電路知識(shí)完成二階有源濾波器的設(shè)計(jì)。該電路并不復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)中要融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)，充分考慮元器件成本和可操作性，設(shè)計(jì)出最合理最簡(jiǎn)單最實(shí)用的電路。實(shí)驗(yàn)過程中遇到了很多問題，通過一步步的研究和探索，查閱各種資料，問題終于得到了解決。在今后的學(xué)習(xí)和生活中，要注重能力的培養(yǎng)，注重?cái)U(kuò)大自己的知識(shí)面提高動(dòng)手能力。參考文獻(xiàn)1.陳永甫. 新編555集成電路應(yīng)用800 例. 成都電