二二階高通濾 波器

1、高通濾波器的設計 專 業(yè)： 應用電子技術 班 級： 2010（1）班 課程名稱： 電子測量技術 學 號： 201030210105 姓 名： 焦義強 指導老師： 黃 磊 10 目錄目 錄摘 要I引 言1第一章 濾波器的基本知識21.1濾波器作用和分類21.2濾波器的主要參數(shù)3第二章 濾波系統(tǒng)中二階高通濾波器設計42.1壓控電壓源二階高通濾波電路42.2所需軟件前面板（軟面板）52.3 所需電子元件62.4 電路連線圖6第三章 二階高通濾波電路的測試73.1 運放電路波形的輸入與輸出73.2 二階高通運放的頻率特性測試9第4章 結論104.1對本設計優(yōu)缺點的分析104.2結論與心得10參考文獻1

2、1 摘要摘 要 濾波器是讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分的電路，虛擬儀器能實現(xiàn)對信號的處理和變換。虛擬儀器是工業(yè)標準計算機配上強大的應用軟件，低成本硬件及驅動軟件，共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。同時，它也可以通過驅動控制傳統(tǒng)的儀器，使它們融入自動化測試測量控制系統(tǒng)。本文以LABVIEW為開發(fā)平臺,構建一個與計算機硬件資源緊密結合的虛擬儀器系統(tǒng)。關鍵詞：濾波器；虛擬儀器；LABVIEW 電氣與電子信息工程學院 電子測量技術課程論文 引 言 濾波器可廣義地理解為一個信號選擇系統(tǒng)。它讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分。在更多地情況下，被窄義地理解為選頻系統(tǒng)，如低通、高通、帶通、帶阻。頻域與時

3、域均衡器也是一種濾波器，通信系統(tǒng)的傳輸媒介如明線、電纜等從特性看也是濾波器。濾波器如系統(tǒng)一樣可分為三類：模擬濾波器、采樣濾波器和數(shù)字濾波器1。模擬濾波器(AF)可以是由RLC構成的無源濾波器，也可以是加上運放的有源濾波器，它們是連續(xù)時間系統(tǒng)。采樣濾波器(SF)由電阻、電容、電荷轉移器件、運放等組成，屬于離散時間系統(tǒng)，其幅度是連續(xù)的。開關電容濾波器、電荷耦合濾波器均屬這類濾波器。數(shù)字濾波器(DF)由加法器、乘法器、存儲延遲單元、時鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數(shù)字電路構成。它精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題，可以分時復用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務。其缺點是需要抽樣、量化、編碼。以及

4、受時鐘頻率所限，所能處理的信號最高頻率還不夠高。另外，由于有限字長效應會造成域設計值的頻率偏差、量化和運算噪聲及極限環(huán)振蕩。 LabVIEW是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用圖標表示功能模塊迷失用圖標之間的連線表示各模塊間的數(shù)據傳遞。同時LabVIEW繼承了高級編程語言的結構化和模塊化編程的優(yōu)點，支持模塊化與層次化實際，這種結構的實際增強了程序的可讀性。LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接收，被公認為是標準的數(shù)據采集和儀器控制軟件。LabVIEW是一個功能強大且靈活的軟件，利用他可以方便的

5、建立自己的虛擬儀器。以LabVIEW為代表的圖形化編程語言，又稱為“G”語言。使用這種語編程時，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。LabVIEW盡可能利用工程技術人員所熟悉的術語、圖標和概念，因而它是一種面向最終用戶的開發(fā)工具，可以增強工程人員構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，可為實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據采集系統(tǒng)提供便捷途徑。 本文就是在LabVIEW基礎上設計一個模擬濾波器高通濾波器。 第一章 濾波器的基本知識 1.1濾波器作用和分類濾波器主要功能是對信號進行處理，保留信號中的有用成分，去除信號中的無用成分。在無線電通信、自動測量和控制系統(tǒng)中，常常利用濾波器電路進行模擬信號的處理，如

6、用于數(shù)據傳送、抑制干擾等。濾波器按處理的信號可分為數(shù)字濾波器和模擬濾波器，按所采取的元器件分為有源和無源濾波器，按時域特性可分為有限長沖激響應濾波器和無限長沖激響應濾波器。按頻域特性分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 低通濾波器指低頻信號能夠通過而高頻信號不能通過的濾波器；高通濾波器則相反，即高頻信號能夠通過而低頻信號不能通過；帶通濾波器是指頻率在某一個頻率范圍內的信號能通過，而在此頻率范圍之外的信號不能通過；帶阻濾波器的性能與之相反，即某個頻率范圍內的信號被阻斷，但允許在此頻率范圍之外的信號通過。上述各種濾波器的理想特性如圖2-1所示2。 圖2-1 濾波器電路的理想電路1.2濾波器的主要參數(shù)

7、紋波幅度d：在一定頻率范圍內，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度d與幅頻特性的平均值A0相比，越小越好，一般應遠小于-3dB。 截止頻率fc：幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對應于-3dB點，即相對于A0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。帶寬B和品質因數(shù)Q值: 上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。在電工學中，通常用Q代表諧振回路的品質因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當于諧振點的幅值增益系數(shù)， Q=

8、1/2（阻尼率）。對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬 B之比稱為濾波器的品質因數(shù)Q。例如一個中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。 倍頻程選擇性W: 在兩截止頻率外側，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與 2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量或倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯

9、然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。即dB10oct。 濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）: 濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式 ，它是利用濾波器幅頻特性的 -60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來衡量濾波器選擇性，理想濾波器 =1，常用濾波器 =15，顯然，越接近于1，濾波器選擇性越好。1.3高通濾波器高通濾波器，是去掉信號中不必要的低頻成分，去掉低頻干擾的濾波器；在電力系統(tǒng)中，諧波補償時用高通濾波器濾除某次及其以上的各次諧波。 高通濾波器是指車載功放中能夠讓中、高頻信號通過而不讓低頻信號通過的電路，其作用是濾去音頻信號中的低音成分，

10、增強中音和高音成分以驅動揚聲器的中音和高音單元。此外高通濾波器常常和低通濾波器成對出現(xiàn)，不論哪一種，都是為了把一定的聲音頻率送到應該去的單元3。第二章 濾波系統(tǒng)中二階高通濾波器設計2.1壓控電壓源二階高通濾波電路電路如圖3-1所示: 通帶增益： Aup表示二階高通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù) 截止頻率：品質因數(shù)：電壓放大倍數(shù)： 若取，可計算得：通帶增益：，截止頻率：，品質因數(shù)：圖2-1 壓控電壓源二階高通濾波電路 該電路對數(shù)幅頻特性如圖3-2所示3：圖2-2 二階高通濾波器對數(shù)幅頻特性 由幅頻特性曲線可知，當f f0 時，幅頻特性曲線的斜率為+40 dB/dec；當Avp3時，電路自激。2.2所需

11、軟件前面板（軟面板） 1. 數(shù)字萬用表（DMM） 2. 函數(shù)發(fā)生器（FGEN） 3. 示波器（示波器） 4. 阻抗分析儀 5. 波特分析儀（波特）2.3 所需電子元件 1. 10電阻，R1，Rf 2. 1電阻，R 3. 1電容，C 4. 741運算放大器2.4 電路連線圖1.在NI ELVIS II面板上連接與如圖3-3所示相似的電路圖2-3 在NI ELVIS II面板上的高通濾波器電路注意：該運放采用+15VDC和-15VDC的電源供應。它們可以在該面板上標記為“DC電源供應+15V、-15V與接地”的引腳插座上找到。2. 將該函數(shù)發(fā)生器FGEN的引腳插座與該運放的輸入相連接。3. 將接地

12、引腳通過一個電阻R與該運放的引腳3相連。4.將該運放的輸出電壓與該示波器的BNC輸入連線端子CH1與接地相連接。5.將輸入（）與輸出（）信號與模擬輸入引腳按如下方式相連接： + AI0+ （來自該FGEN的輸出） - AI0- （來自接地） + AI1+ （來自運放的輸出） - AI1- （來自接地）第三章 二階高通濾波電路的測試3.1 運放電路波形的輸入與輸出1.在函數(shù)發(fā)生器的面板上，設置下列參數(shù)： 波形:正弦波波峰幅值：0.2Vpp頻率：1kHzDC偏置：0.0V起始頻率：100Hz停止頻率：1kHz步進頻率：100Hz單步執(zhí)行時間：1s 圖3-1 函數(shù)發(fā)生器面板參數(shù)設置2. 波形圖的觀測

13、（1） 給該NI ELVIS II面板加電。（2） 點擊FGEN與示波器的運行按鈕。（3） 設置觸發(fā)信號為邊緣觸發(fā)、AI0、電壓水平為0.0和事件標度為1ms。（4） 在該示波器窗口測量該運放的輸入（AI0）和輸出（AI1）的幅值，如圖4-2所示。圖3-2 運放的輸入與輸出信號 由波形圖可見該輸出信號如預期與輸入信號同向，電壓增益（幅值之比，AI1/AI0）為2。3.2 二階高通運放的頻率特性測試通過波特分析儀測得該二階高通濾波器幅頻響應和相頻響應如圖4-3所示，圖4-3 二階高通濾波器幅頻響應和相頻響應 可見，截止頻率約為160Hz，與理論值相符合；且信號的頻率越高越容易通過，濾掉了頻率較低

14、的信號（噪聲），實現(xiàn)了高通濾波特性。第4章 結論4.1對本設計優(yōu)缺點的分析本次課程論文我們主要根據要求中的提示，首先確定了各個部位元件的類型，在充分分析和掌握了濾波電路的工作原理進行了認真仔細的計算和公式的推倒，最終掌握了具有一般性的相關公式，當然，在公式的驗算中為了簡化公式，也采取了一些小技巧，在確定滿足課題要求的情況下，令電容相等，從而大大簡化了計算過程，但是在設計的諸多方面（電路的穩(wěn)定性，參數(shù)選擇的優(yōu)越性，電路的調試等）存在不足之處。4.2結論與心得1、由實驗可知，當頻率f為通帶截止頻率fc時，輸出電壓 Uo約為最大輸出電壓的0.707倍，即Au0.707AuP。2、由實驗可知，高通濾波器削弱低頻信號，只放大頻率高于 fc的信號，我們可把高通濾波器用于交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分。3、實驗中，檢測的波形沒有失真，說明只要正反饋引入得當，就能在f=fo時使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會因正反饋過強而產生自激振蕩。 4、通過本次實驗，我掌握了濾波器的一些基本知識，理解了高通濾波器的工作原理，并對電子測量技術有了更深的了解。參考文獻1清華大學電子學教研組編. 楊素行主編. 模擬電子技術簡明教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2005.2李哲英主編. 電子技術及其應用基礎. 模擬部分. 北京：高等教育出版社，2003.3華中理工大學電子學