高通濾波器設(shè)計(jì)

1、套捷機(jī)電彳科薇大浮GUILIHUNIVERSITYOFELECTRONICTECHNOLOGY課程設(shè)計(jì)（論文）說明書題目：有源高通濾波器院（系）：電子工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：2011年1月19日摘要通過RC電路本課程設(shè)計(jì)利用巴特沃夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)四階高通有源濾波器,與NE5532集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過調(diào)試，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：高通濾波器，四階，NE5532,巴特沃夫引言41 .設(shè)計(jì)任務(wù)及要求42 .方案框圖43 .方案論證和選擇44 .原理圖設(shè)計(jì)55 .1理論分析66 .2實(shí)際電路77 .元件及參數(shù)的選擇88 .1器件的選擇85 .2參數(shù)的選擇9

2、6 .電路板的制作97 .1繪制原理圖98 .2制作PCB109 .調(diào)試過程1010 測試結(jié)果與分析1011 .總結(jié)與心得13參考文獻(xiàn)14引言本課程設(shè)計(jì)利用RC網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放通過巴特沃夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)四階高通有源濾波器。1、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器要求：1）截止頻率fc=100Hz;2）增益Av=2;3）阻帶衰減速率大于等于40dB/10倍頻程;4）調(diào)整并記錄濾波器的性能參數(shù)及幅頻特性。2、方案框圖圖2.1RC有源濾波總框圖1）RC網(wǎng)絡(luò)在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。2）放大器電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，

3、其閉環(huán)增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級。3）反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出信號的一部分或全部通過反饋網(wǎng)絡(luò)輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。反饋對濾波器的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。3、方案論證和選擇一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的通帶內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性悦獬穗姼兴逃械姆蔷€性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大

4、器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為3Hz-106KHz,頻率精度為+（3-5）%,并可用簡單的級聯(lián)來得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時(shí)一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。1）關(guān)于濾波器類型的選擇一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(shù)

5、變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好。所以本課程設(shè)計(jì)使用壓控電壓源型濾波器。2）級數(shù)選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級濾波器用接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6（或n大于等于m/20）。由于設(shè)計(jì)要求阻帶衰減速率大于等于4

6、0dB/10倍頻程，故使用四階較好，調(diào)試既方便，對設(shè)計(jì)指標(biāo)也有較多的寬裕。3） 運(yùn)放的要求在無特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開環(huán)增應(yīng)在80dB以上。對運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為Fh,則運(yùn)放的單位增益寬帶應(yīng)滿足下式：BWG大于等于（3-5）AefH,式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。如果濾波器的輸入信號較小，例如在10mV以下，則選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100kQ,則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。4、原理圖設(shè)計(jì)3.1、 理論分析二階濾波器的傳遞函數(shù)為：V2P(s)Vi

7、-S2+BS+C巴特沃夫設(shè)計(jì)方法可知：截止頻率為Wc,巴特沃夫二階高通濾波器傳遞函數(shù)為：V2As7?H=EWc丁卜十丁其中A為增益。通過查詢歸一化頻率（Wc=1）時(shí)的B和C,可得到巴特沃夫二階高通濾波器的傳遞函數(shù)。圖4.1其頻率特性為:牛如）=arufati圖4.21?/57-日一第HP產(chǎn)帽馴杓性圖4.3具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動(dòng)時(shí)，用巴特沃斯響應(yīng)較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，則切比雪夫響應(yīng)較好。因此本設(shè)計(jì)用巴特沃斯設(shè)計(jì)方法。查詢相關(guān)資料可知：四階濾波器可由兩個(gè)二階濾波器級聯(lián)而成

8、，而四階濾波器的衰減速率=40dB/10倍頻，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2、 實(shí)際電路首先通過查表得到四階巴特沃夫?yàn)V波器的歸一化頻率的B和C系數(shù)：巴特沃斯BCC.7653671.MT759kOOOCOO知道增益為A=2,截頻為Wc=100Hz,可得級聯(lián)的各個(gè)二階濾波器的傳遞函數(shù):Ul=s3皿/+（蜜生+Wd/C2其中：Wc=2*n*100用圖4.1實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)，查如下公式可得個(gè)電容，電阻參數(shù):R小R3可得:BWc1-K2二1CR1C1R2C1Wc214C(3十VB3+8C(A-1)WcClRl=R2Wc2Cl2R3=AR2A1R4=KR2所以由此計(jì)算出第一節(jié)的二階濾波器R1=14.7kQ,R2=17.

9、2kQ,R3=R4=34.4kQ第二節(jié)濾波器R1=14.7kQ,R2=17.2kQ,R3=R4=0Q由此，可畫出原理圖：5、元件及參數(shù)的選擇5.1、器件的選擇電容為0.1uf(104)瓷片電容；電阻為1/4瓦1%精度金屬膜電阻;運(yùn)放為NE5532;NE5532特點(diǎn)：?小信號帶寬：10MHZ?輸出驅(qū)動(dòng)能力：600Q,10V有效值?輸入噪聲電壓：5nV/vHz（典型值）?直流電壓增益：50000?交流電壓增益：2200-10KHZ?功率帶寬：140KHz?轉(zhuǎn)換速率：9V/g?大的電源電壓范圍：3V-20V?單位增益補(bǔ)償主要是選擇電阻，為了達(dá)到所計(jì)算的電阻，R1有10kQ+10k可調(diào)電阻組成;同理R

10、2亦如此。R3=R4由30kQ+10k可調(diào)電阻組成。6、電路板的制作6.1、繪制原理圖用ProtelDxp2004繪制，原理圖如下:找對封裝后導(dǎo)入PCB,制作PCB如下:6.2、制作PCB7、調(diào)試過程1）觀察板子做成后，阻值調(diào)到理論值，輸入信號正弦100Hz,1Vpp,可是在截頻處（3dB即應(yīng)為1.414V）卻為850mv,可知理論值跟實(shí)際值有出入。當(dāng)信號調(diào)到1kHz后，輸出2.02V,20Hz時(shí)，26mv,可知確實(shí)為高通濾波器，只是截頻沒調(diào)對。2）調(diào)截頻把信號源調(diào)到正弦100Hz,1Vpp,觀察示波器；先調(diào)大R1,發(fā)現(xiàn)輸出信號變小，于是調(diào)小R1;調(diào)大R2,發(fā)現(xiàn)輸出信號變大，于是調(diào)到合適位置；

11、通過相互調(diào)節(jié)，把此時(shí)的輸出信號調(diào)到1.41V04）整體觀察通過把增益，截頻調(diào)對后，選擇在0-10k。頻帶內(nèi)觀察輸出信號的變化。并記錄不同頻率時(shí)輸入信號的峰峰值。（輸入1Vpp）。8、測試結(jié)果與分析輸入信號f（Hz）,1Vpp,改變輸入信號頻率f,測輸出信號峰峰值Vopp。得到如下結(jié)果：頻率f(Hz)W/WcVopp(V)Vopp/A2010g(Vopp/A)0000100.10.0160.008-41.9382150.150.020.01-40200.20.0260.013-37.7211300.30.0320.016-35.9176400.40.0520.026-31.7005500.50.

12、0940.047-26.558600.60.1640.082-21.7237650.650.2220.111-19.0935700.70.2840.142-16.9542750.750.3880.194-14.244800.80.5080.254-11.9033850.850.6640.332-9.57724900.90.8560.428-7.37112900.90.9520.476-6.44786900.91.060.53-5.51448900.91.150.575-4.80664980.981.270.635-3.9445310011.40.7-3.098041021.021.520.76

13、-2.383731041.041.70.85-1.411621061.061.840.92-0.724241081.081.980.99-0.08731101.12.121.060.5061171121.122.241.120.984361141.142.381.191.5109391161.162.51.251.93821181.182.621.312.3454261201.22.721.362.6707781221.222.781.392.8602961241.242.841.423.0457671261.262.881.443.167251281.282.921.463.28705713

14、01.32.961.483.4052341351.352.911.4553.257261401.42.861.433.1067211451.452.761.382.7975821501.52.71.352.6066751551.552.621.312.3454261601.62.541.272.0760741651.652.491.2451.9033871701.72.441.221.7271971751.752.391.1951.5473581801.82.361.181.437641851.852.321.161.289161901.92.31.151.2139571951.952.261

15、.131.06156920022.241.120.984362202.22.181.090.748532402.42.141.070.5876762602.62.11.050.4237862802.82.081.040.34066730032.061.030.2567443503.52.041.020021.010.08642750052.021.010.08642760062.021.010.08642770072.021.010.08642780082.021.010.08642790092.021.010.0864271000102.021.010.0864271500152.021.010.0864272000202.021.010.0864273000302.021.010.0864274000402.021.010.086427繪制幅頻特性曲線如下:9、總結(jié)與體會(huì)通過此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了如何有效地查詢相關(guān)資料用以解決問題，充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源，初步了解了濾波器巴特沃夫的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)之初與同學(xué)交流，相互學(xué)習(xí)，遇到不明白的問題時(shí)，共同討論分析，請教老師，這些過程很值得珍惜。用protel畫原理圖，PCB過程中，鍛煉了自己的耐心與細(xì)心，保證了原理圖到PCB,封裝都是正確的，避免了重復(fù)制板。調(diào)