電賽濾波器設(shè)計(jì)

1、濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(一)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解濾波器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。 2、掌握濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solutions使用方法。 3、掌握無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)及測(cè)試方法。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、采用Filter Solutions設(shè)計(jì)LC橢圓低通濾波器。 2、焊接電路并測(cè)試濾波器性能。3 實(shí)驗(yàn)器材 示波器、毫伏表、信號(hào)源、掃頻儀。4 實(shí)驗(yàn)原理（一）濾波器基本理論 濾波器可以按幾種方法來(lái)分類(lèi)。例如模擬濾波器是用來(lái)處理模擬信號(hào)，即信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，而數(shù)字濾波器是用來(lái)處理數(shù)字化的連續(xù)波形。濾波器按其設(shè)計(jì)的工作頻段可分為集總元件設(shè)備和分布元件設(shè)備。最后按其使用的元件類(lèi)型可分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。 濾波器的

2、實(shí)質(zhì)是通過(guò)某些頻率位于濾波器通帶內(nèi)的信號(hào)，而阻止或者衰減一些頻率位于阻帶內(nèi)的信號(hào)。通常碰到的選頻濾波器類(lèi)型定義如下： （1）低通濾波器：在0和截止頻率c之間為通帶，高于c是阻帶，其帶寬B=c； （2）高通濾波器：在0和截止頻率c之間為阻帶，高于c是通帶； （3）帶通濾波器：在兩個(gè)截止頻率L和U之間為通帶，在0和L之間以及U以上為阻帶。其帶寬B=U-L； （4）帶阻濾波器：L<<U為阻帶，0<<L及>U為通帶； （5）全通濾波器：平等的傳通所有的頻率信號(hào)，即對(duì)所有頻率信號(hào)其|H(j)|都是常數(shù)，但其相位()通常是頻率的函數(shù)。 （二）濾波器設(shè)計(jì)方法 模擬濾波器傳統(tǒng)的設(shè)

3、計(jì)步驟為：（1）給定模擬濾波器的性能指標(biāo)；（2）設(shè)計(jì)模擬低通原型濾波器，確定濾波器階數(shù)；（3）頻率變換（低通至高通或帶通或帶阻）；（4）電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Sallen-Key電路、MFB電路、狀態(tài)變量電路、前饋雙二次型電路等）的選擇。 用來(lái)說(shuō)明低通濾波器特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：（1）通帶截止頻率 ；（2）通帶內(nèi)最大衰減 ；（3）阻帶截止頻率 ；（4）阻帶最小衰減 。 圖1.1 低通濾波器幅頻特性曲線 在確定濾波器的性能之后，就可根據(jù)所需濾波器的特點(diǎn)選擇合適的模擬低通原型進(jìn)行設(shè)計(jì)。典型的模擬低通原型濾波器有：巴特沃茲濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器、橢圓函數(shù)濾波器等。巴特沃茲濾波器通帶阻帶最平坦，

4、過(guò)渡帶下降較緩慢，相頻響應(yīng)較好；切比雪夫?yàn)V波器在通帶或阻帶內(nèi)有等波紋起伏，過(guò)渡帶下降較快，相頻特性較差；貝塞爾濾波器頻率選擇性最差，但具有理想的相頻特性；橢圓函數(shù)濾波器通帶和阻帶內(nèi)都有等紋波起伏，過(guò)渡帶下降最快，相頻特性最差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更多地借助一些計(jì)算機(jī)輔助軟件。常見(jiàn)的濾波器設(shè)計(jì)軟件有Nuhertz公司出品的Filter Solutions、Schematica公司出品的Filter Wiz Pro、Linear公司出品的FilterCAD及Ti公司出品的FilterPro等。這里，我們采用Filter Solutions軟件進(jìn)行無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)。5 實(shí)驗(yàn)步

5、驟 1、采用Filter Solutions軟件，如圖1.2，對(duì)濾波器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)： （1）打開(kāi)軟件后，根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)要求，在filter type中選擇濾波器的類(lèi)型為橢圓濾波器； （2）在filter class中選擇濾波器的種類(lèi)低通； （3）在filter Attributes中設(shè)置濾波器的階數(shù)為4、通頻帶頻率為30KHz，阻帶截止頻率為60KHz，通帶內(nèi)最大起伏為1dB； （4）在Implementation中選擇無(wú)源濾波器（Lumped）； （5）在Freq Scale中選擇Hertz和Log； （6）在Graph Limits中設(shè)置好圖像的最大頻率和最小頻率，最大頻率要大于通頻帶的

6、截止頻率；在Lumped Design/Ideal Filter Response中觀察傳輸函數(shù)、時(shí)域響應(yīng)、零極點(diǎn)圖、頻域響應(yīng)的圖像； （7）在Circuit Parmaters中設(shè)置源電阻和負(fù)載電阻均為50。 圖1.2 Filter solutions 設(shè)計(jì)界面 參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，點(diǎn)擊Sythesize Filter觀察濾波器電路圖，如圖1.3。 圖1.3 Filter solutions生成濾波器電路圖 由于生成電路圖中元器件的值的是由軟件計(jì)算出來(lái)與實(shí)際不符，對(duì)其進(jìn)行修改，得到圖1.4。點(diǎn)擊左上角Freq按鍵可得到理論上的幅頻特性曲線，在打開(kāi)的頁(yè)面中點(diǎn)擊左上角的Text按鈕可得到幅頻特性數(shù)據(jù)

7、。 圖1.4 修改后Filter solutions生成濾波器電路圖2、 按照生成電路圖焊接電路。3、 測(cè)量電路噪聲：輸入端無(wú)信號(hào)，用毫伏表讀出輸出端噪聲。4、 觀察頻譜特性：從輸入端輸入30KHz方波，用示波器觀察輸出端波形及頻譜圖。5、 測(cè)試濾波器的幅頻特性和相頻特性：（1） 從輸入端輸入不同頻率正弦波，用毫伏表分別讀出輸入端和輸出端幅度，輸出端幅度減去輸入端幅度得到幅度衰減值。以輸入正弦波頻率為橫坐標(biāo)，幅度衰減值為縱坐標(biāo)畫(huà)出幅頻特性曲線（2） 從輸入端輸入不同頻率正弦波，用示波器同時(shí)觀察輸入輸出端波形，讀出相位差。以輸入正弦波頻率為橫坐標(biāo)，相位差為縱坐標(biāo)畫(huà)出幅頻特性曲線。（3） 用掃頻儀

8、測(cè)試其幅頻特性和相頻特性。6 實(shí)驗(yàn)要求 畫(huà)出濾波器幅頻特性曲線和相頻特性曲線，與理論曲線做對(duì)比，分析誤差原因。濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(二)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、加深對(duì)濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)的理解，提高濾波器性能指標(biāo)。 2、熟練掌握Filter Solutions使用方法。 3、熟練掌握濾波器設(shè)計(jì)、焊接及性能測(cè)試方法。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、分別設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃茲、切比雪夫和橢圓有源低通濾波器。要求截止頻率為100kHz，帶外衰減不小于60dB/十倍頻程，截止頻率誤差絕對(duì)值不大于2%,通帶和阻帶紋波盡可能小。2、設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，阻帶衰減：40dB，中心頻率：60kHZ，通帶寬度：10kHZ，阻帶寬度：60kHZ。3、設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，截止頻率為500kHz，帶外衰減不小于40dB/十倍頻程，截止頻率誤差絕對(duì)值不大于10%。4、對(duì)于2中的設(shè)計(jì)，如要求濾波器通帶增益在0.24.0之間可調(diào)，該如何設(shè)計(jì)？ 附：3、4為選做。3 實(shí)驗(yàn)器材示波器、毫伏表、信號(hào)源、掃頻儀。4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程1、設(shè)計(jì)濾波器，進(jìn)行電路參數(shù)優(yōu)化同時(shí)進(jìn)行幅頻特性、相頻特性仿真。2、按照優(yōu)化及仿真后的電路圖焊接電路。3、測(cè)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2的濾波器的幅頻特性和相頻特性，并作出相應(yīng)的曲線，測(cè)量計(jì)算濾波器的品質(zhì)因數(shù)并與理論值作對(duì)比。4、用掃頻儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1的帶外衰減，及截