有源帶通濾波器設(shè)計(jì)匯總

1、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源元件R、L和C組成，60年代以來，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)的頻率范圍定

2、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LM324RC網(wǎng)絡(luò)9111212錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò) 誤！未定義書簽。錯(cuò)誤 未定義書簽。121314目錄目錄第一章設(shè)計(jì)要求1.1 基本要求第二章方案選擇及原理分析2. 1.方案選擇3. 2

3、原理分析第三章電路設(shè)計(jì)4. 1實(shí)現(xiàn)電路5. 2參數(shù)設(shè)計(jì)33電路仿真1 .仿真步驟及結(jié)果2 .結(jié)果分析.第四章電路安裝與調(diào)試4.實(shí)驗(yàn)安裝過程6. 調(diào)試過程及結(jié)果7. 4.2.1遇到的問題.4.2.2解決方法.4.2.3調(diào)試結(jié)果與分析結(jié)論.參考文獻(xiàn)第章設(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。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無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器。模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述。傳遞函數(shù)是輸出與

4、輸入信號(hào)電壓或電流拉氏變換之比。H(j3)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(j3)是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值A(chǔ)(3)稱為幅頻特性，其幅角表示輸出信號(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源兩種，無源濾波器即為由無源原件組成如L、R和C組成。下圖為一階RC低通濾波電路。Ml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)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器

5、。它是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成的。下圖為簡(jiǎn)單的有源一階濾波器。Ui一階假11耕；Si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)，光電弱信號(hào)檢測(cè)電路中。有源濾波器的性因而RC有源濾波器普遍應(yīng)用于能更加好.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)計(jì)采用

6、有源二階網(wǎng)絡(luò)完成。通濾將一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高波器串聯(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RI、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410p2GdiA?&圖五帶通濾波器幅頻特性圖中，當(dāng)CD=3O時(shí)，電

7、壓放大倍數(shù)最大。帶通濾波器的通頻帶寬度為BW0.7=30/（2n*Me,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/（2；i）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/（2兀）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。第二章電路設(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:ClZSCL-WfJi. it3kfrU2ftlOQiif1. 5ka PAMP_35Fin$LH3-W圖六

8、二階有源帶通濾波器電路圖圖中RI、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3. 2參數(shù)設(shè)計(jì)UP為同相比例運(yùn)算電路的輸入，比例系數(shù)為:時(shí)，電路的傳遞函數(shù)為:Au(s )= Auf (s ) sRC令中心頻率為Ri2l+3 - Auf(s) sRC + (sRC)RC電壓放大倍數(shù)為:,-1 f f f o1+jII當(dāng)f二f。時(shí)，得出通帶放大倍數(shù)為:AufAup=-QAuf(3-Auf)3-AufIfof)經(jīng)過計(jì)算，得到下限截止頻率fpi和上限截止頻率fp2分別為:fP1J(-Auf)2+4-(3-Auf)已知

9、，通頻帶為:fp?=寸I&3Auf+4+(3Auf”fo=fp2fpi=(3Auf)fo=設(shè)計(jì)參數(shù)為:R=Ri=l.5K0,R2=3K0,Rf=1.5K0C=CiC2=0.luf代入以上公式可得：foROOOHZ,Auf=2,fpi=618HZ,fp2=1618HZ通頻帶為：fb斡fp2-fpi=1618HZ-618HZ=1OOOHZ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

10、帶通濾波器，可以根據(jù)式(2)或者根據(jù)有源帶通濾波器的同相放大倍數(shù)A嚴(yán)1+琵在確定了其它數(shù)值后適當(dāng)改變Ra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Ra和Rb的值，因?yàn)楦鶕?jù)式可以看出在確定了其他數(shù)值后改變Ra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L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。二波形信號(hào)選項(xiàng)比振幅kf-U1 5Vp0VV 1F- J T1

11、H頻率占空偏公共(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，信號(hào)發(fā)生衰減z口宵。粵這電143 ntET2 訂!二 L43蹌闞譚10 nu/DivX位S Rp/T 抑載 I B 圖 j A/e 1754. 540 mV764.540 mV0. 000 V逋道A比例I?麗i7-2. E5V-2. 5S5V0, 000V遇適弓二比 例 15 v/Div yfeS KACExt. Triggerr疇迫沿丁工河二J外劊I . jj j (r :丸電平 3-1八冉一，上來皿 7TT ntri，+:口化，門二h IH1- I(3).f=10000Hz輸出，信號(hào)發(fā)生衰減通

12、頻帶設(shè)計(jì)為500-2000,此處輸入頻率在頻帶之外,nm-傅號(hào)選項(xiàng)頻率.占空比振幅偏穆H?100001-15Vp0V卜升JJ升巧門-h公共2.結(jié)果分析3T1勺T2T1時(shí)間軸遇適、比例uMuS/tiiVL比例5V/DIVS|oYESP叼,加戟I8陰I八陽ACIdC&比例IsvfovfESoQQQ際二J反向ExLTnggerr蛾-邊沿irrU電平IV類型正曲標(biāo)唯g動(dòng)ir-從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為輸入信號(hào)同相。1000Hz時(shí)，輸出信號(hào)的幅值放大了兩倍，且輸出信號(hào)與當(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

13、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)。5. 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

14、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)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)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

15、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值無法做的很大，也就導(dǎo)致其通頻帶寬度無法做的很窄，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