帶通帶阻濾波

1、黃 岡 師 范 學(xué) 院實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課 程: 電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)（二） 題 目: 程控濾波器設(shè)計(jì)與制作 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程2012級(jí) 學(xué) 號(hào)： 2014222020305 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期: 2015 年 6 月16 濾波器設(shè)計(jì)專業(yè)：電子信息工程 班級(jí)：201203班 作者：胡斯哲 指導(dǎo)老師：謝偉摘要在工業(yè)場(chǎng)合，電子電力系統(tǒng)中，電路會(huì)受到雜波的干擾，所以濾波器在電路中應(yīng)用十分廣泛。本論文是基于Proteus設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器，對(duì)有源濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，實(shí)現(xiàn)了六階巴特沃斯帶通和帶阻濾波器設(shè)計(jì)，用仿真軟件Proteus對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真與

2、分析，并將仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵詞：PROTEUS；巴特沃斯；帶通濾波器；帶阻濾波器目錄摘要1目錄21、緒論31.1濾波器的發(fā)展階段31.2課題研究的背景32、原理分析43、設(shè)計(jì)框圖54、濾波設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)64.1方案比較64.2技術(shù)參數(shù)確定和設(shè)計(jì)步驟74.3Proteus仿真波形及頻率響應(yīng)圖84.3.1低通濾波器84.3.2高通濾波94.3.3帶通仿真104.3.4帶阻濾波器104.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)115、結(jié)束語(yǔ)126、參考文獻(xiàn)13附錄一14附錄二161、緒論1.1濾波器的發(fā)展階段電容濾波器是由電路元件相互連接構(gòu)成的一種選頻網(wǎng)絡(luò)。從1915年Wagner和Campbell分別首次

3、提出濾波器的概念以來(lái)，濾波器經(jīng)歷了無(wú)源分立RLC元件、集成線性元件/混合集成電路和單片全集成電路的發(fā)展歷程，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著濾波器理論的發(fā)展，特別是1977年美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的學(xué)者組成的研究小組集成了第一片單片MOS開關(guān)電容濾波器，開關(guān)電容濾波器成為了濾波器理論中十分活躍的分支，受到了電路理論工作者和集成電路設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注。開關(guān)電容濾波器(SCF)電路其核心部分由模擬開關(guān)、電容器和運(yùn)算放大器組成，其傳輸函數(shù)系統(tǒng)特性取決于電容容量比的準(zhǔn)確性，易于用MOS工藝實(shí)現(xiàn)。因此，70年代末，MOS工藝發(fā)展迅速，MOS器件在速度、集成度、相對(duì)精度控制和微功率等方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為開

4、關(guān)電容濾波器電路的迅速發(fā)展提供了很好的條件。國(guó)際上，70年代末至80年代中是SCF大發(fā)展時(shí)期，完成了從原理、結(jié)構(gòu)探討至工業(yè)化過程，并被廣泛應(yīng)用于通訊等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)在70年代有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電子產(chǎn)品。目前，開關(guān)電容濾波器正向著集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向發(fā)展，出現(xiàn)了很多的新方法來(lái)設(shè)計(jì)低電壓、低功耗、低電容比和運(yùn)放增益靈敏度的SC濾波器。而隨著開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)的日加成熟，開關(guān)電容濾波器的應(yīng)用也更加廣泛.從無(wú)限通訊到視頻應(yīng)用，再到集成電路設(shè)計(jì)，開關(guān)電容濾波器都越來(lái)越多的發(fā)揮著重要的作用。1.2課題研究的背景 隨著濾波系統(tǒng)在各類電子裝置中的普遍使用，普通的濾波器在工作時(shí)產(chǎn)生

5、的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。低精度的濾波器在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)濾波器提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場(chǎng)。      隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。傳統(tǒng)濾波器功能單一，調(diào)節(jié)精度不高，人機(jī)界面不友好，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已有高階專用的開關(guān)電容濾波器芯片，但其價(jià)格高，電路噪聲也不盡如人意，此外還存在信號(hào)混疊問題。 濾波系統(tǒng)是目前濾波器的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)

6、，有效地解決電源模塊中諸 如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。2、原理分析1、有源低通濾波器的設(shè)計(jì)（LP）下圖為有源二階低通濾波器的電路圖和幅頻特性曲線圖。其幅頻特性頂部平坦，但其過渡帶的陡度只有40分貝/十倍頻程，濾波效果不理想。若將三個(gè)二階濾波器串聯(lián)，就可構(gòu)成一個(gè)6階有源低通濾波器，其幅頻特性頂部與二階有源低通濾波器一樣，但其過渡帶的陡度有120分貝/十倍頻程，濾波效果非常好，接近理想特性。 圖12、有源高通濾波器的設(shè)計(jì)（HP）將有源低通濾波器中的電阻和電容對(duì)換，即可實(shí)現(xiàn)有源高通濾波器。電路如圖-2。圖-23、有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)（BP）將

7、有源高通濾波器和有源低通濾波器進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)有源RC帶通濾波器。4、有源帶阻濾波器的設(shè)計(jì)（BE） 將有源高通濾波器和有源低通濾波器進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)有源RC帶通濾波器。有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器是由有源低通濾波器、有源高通濾波器的串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成的，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是有源高通濾波器和有源低通濾波器。其性能的好壞影響到有源帶通濾波器、有源帶阻濾波器的性能。3、設(shè)計(jì)框圖圖3通過切換開關(guān)選擇高通和低通濾波器。k2、k3、k4斷開，k1閉合時(shí)，預(yù)置為有源RC低通濾波器；k1、k2斷開，k3、k4閉合時(shí), 預(yù)置為有源RC高通濾波器；k1、k3斷開，k2、k4閉合時(shí), 預(yù)置為有源RC帶通濾波器；k2斷開，

8、k1、k3、k4閉合時(shí), 預(yù)置為有源RC帶阻濾波器；4、濾波設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1方案比較1、有源RC濾波器通帶截止頻率的控制要實(shí)現(xiàn)濾波器的截止頻率在1kHz20kHz范圍內(nèi)按1kHz步進(jìn)，有兩種方法：方案一、固定電阻，切換電容由于電容的系列值較電阻少，且電容的選取難，如果近似選取，產(chǎn)生的誤差較大，很難達(dá)到題目的要求。方案二、固定電容，切換電阻經(jīng)比較，由于電阻系列值較多，容易選取，且價(jià)格低，元器件參數(shù)的選擇和控制方便。2、濾波方案選擇通過EWB軟件仿真，得到有源RC低通契比雪夫、有源RC低通巴特沃斯、有源RC低通貝塞耳濾波器幅頻特性曲線如圖4所示。圖4通過對(duì)圖（4）中的三種幅頻特性曲線的比較和分析

9、，巴特沃斯有源RC低通濾波器的頂部平坦，通帶特性好，該濾波器在過渡帶衰減的陡度大，可獲得陡峭的頻率特性。因此，選用巴特沃斯有源RC低通濾波器能達(dá)到較好的濾波效果。4.2技術(shù)參數(shù)確定和設(shè)計(jì)步驟1、 確定濾波器的階數(shù) N對(duì)于巴特沃斯濾波器其幅頻特性一般表達(dá)式為:A=Aup1+ffo2N( 為通帶截止頻率，f為輸入信號(hào)的頻率，n為階數(shù))根據(jù)題目的要求f/fo=2 (高通f/fo=1/2) 從通帶截止頻率處到2倍通帶截止頻率處衰減32db以上，則有：20lgAAup-32dB，即20lg11+22n32dB得到：n>=5.3(n 取整數(shù))經(jīng)上述計(jì)算至少需要6階巴特沃斯濾波器才符合要求。

10、2、電阻和電容的確定： 設(shè)通帶截止頻率為f01kHz。根據(jù)fo=1/（2RC）= 1000(kHz)，考慮電阻、電容的系列值，首先選取 RC濾波網(wǎng)絡(luò)中的電容為C=2200PF。 當(dāng)通帶截止頻率f01KHz時(shí)，電阻R為72k； 當(dāng)通帶截止頻率f02KHz時(shí)，電阻R為36K； 當(dāng)通帶截止頻率f04KHz時(shí)，電阻R為18k；當(dāng)通帶截止頻率f08KHz時(shí)，電阻R為9k；當(dāng)通帶截止頻率f010KHz時(shí)，電阻R為7.2k；4.3Proteus仿真波形及頻率響應(yīng)圖4.3.1低通濾波器六階低通濾波器的波形如圖5，頻率響應(yīng)為圖6。在圖5中綠色波形為輸入波形，紅色波形為二階輸出，藍(lán)色為四階輸出，黃色波形為六階輸出

11、。在圖6中，藍(lán)紅綠分別為二、四、六階的頻率響應(yīng)。電路見附錄一綠紅藍(lán)黃圖5六階四階二階圖64.3.2高通濾波輸入圖7中，紅色為輸入波形，綠色為二階輸出波形，藍(lán)色為四階輸出波形，黃色為六階輸出波形；圖8中，紅綠藍(lán)分別表示二、四、六的頻率響應(yīng)圖。六階四階二階圖7六階四階階二階圖8圖94.3.3帶通仿真圖9中的綠色是輸入的1kHz的方波，其中帶有1khz、3khz、5khz、7khz奇次諧波。經(jīng)過頻帶為1Khz-10Khz的帶通濾波器后，輸出波形為圖9中的紅色波形。經(jīng)過對(duì)紅色波形進(jìn)行傅里葉分析得到圖10；從圖10可以看到的頻率分量有1khz、3khz、5khz、7khz、9khz的分量輸出。其他的頻率

12、分量都被濾掉。電路見附錄一的圖一。圖104.3.4帶阻濾波器圖11是中綠色是輸入1khz的方波，經(jīng)過低通截止頻率為2kHz高頻截止頻率為7Khz的帶阻濾波器后產(chǎn)生的位紅色的波形；而圖12是帶通濾波器的頻率響應(yīng)圖；圖13是輸出的波形經(jīng)過傅里葉分析得到的頻率分量。從圖13可以清楚的看到波形只有小于1Khz和大于7Khz的波形得到放大。電路見附錄一的圖二。圖11圖12圖134.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低通：輸入頻率KHz實(shí)際截止頻率KHz輸入頻率KHz實(shí)際截止頻率KHz10.881110.221.81211.5331312.143.811412.954.81514.265.431615.376.71715.887

13、.561817.498.51918.1109.32018.9高通輸入頻率KHz實(shí)際截止頻率KHz輸入頻率KHz實(shí)際截止頻率KHz11.21111.622.21212.733.61313.244.31414.755.21515.966.41616.377.01717.388.1181899.41919.41010.52020.85、結(jié)束語(yǔ)這次設(shè)計(jì)讓我重新復(fù)習(xí)了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這本書，在這個(gè)過程中，許多以前被忽略的細(xì)節(jié)被重新翻了出來(lái)，并且在某種程度上決定整個(gè)設(shè)計(jì)的方向。同時(shí)通過查閱相關(guān)資料，了解了六階帶、阻通濾波器與二階高通、低通濾波器的相互關(guān)系，同時(shí)又了解和學(xué)習(xí)了proteus的使用方法。對(duì)我來(lái)

14、說，這次的設(shè)計(jì)題目不算很難，反而是學(xué)習(xí)和掌握一種新的仿真軟件顯得更加重要。對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)過程，我感慨很多，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，中間經(jīng)歷了很多的困難，但是這讓我學(xué)到了很多的東西。通過這次設(shè)計(jì)，讓我加深了對(duì)于濾波器設(shè)計(jì)的理解，進(jìn)一步熟練了對(duì)于其原理的掌握，并為我今后在相關(guān)方面的工作和研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 最后，感謝一直給予我?guī)椭闹x偉老師及我可愛的同學(xué)們！6、參考文獻(xiàn) 1. 華成英 童詩(shī)白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)  高等教育出版社，2008. 2. 張為 等譯 電子電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M 北京：電子工業(yè)出版社 2005.10 3. 丁士圻編著&#