濾波器的課程設(shè)計(jì)

1、目錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求211設(shè)計(jì)任務(wù)212設(shè)計(jì)要求213題目評(píng)析22、方案比較與論證321濾波單元設(shè)計(jì)322增益放大單元設(shè)計(jì)323頻率波形提取單元設(shè)計(jì)33、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)431系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)432 系統(tǒng)的單元設(shè)計(jì)4低頻濾波器的設(shè)計(jì)4可控增益放大器單元設(shè)計(jì)6頻率波形提取單元的設(shè)計(jì)74、系統(tǒng)仿真1041低頻濾波器單元的仿真1042可控增益放大器單元的仿真1143頻率波形提取單元的仿真1144一、二級(jí)單元串聯(lián)運(yùn)行125、結(jié)論136、參考文獻(xiàn)14附錄一 電路原理圖14附錄二 PCB板電路14摘要： 本設(shè)計(jì)是一個(gè)可控制的濾波放大電路，主要由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：四階巴特沃茲帶通濾波器、可控增益的增益放大器和開

2、關(guān)電容帶通濾波器。實(shí)現(xiàn)的是對(duì)于1005000hz低頻信號(hào)的濾波放大，及最后開關(guān)電容濾波器帶通濾波選取某頻段的波形，同時(shí)給予可控增益完成信號(hào)的放大。關(guān)鍵詞： 巴特沃茲濾波器 可控增益放大 切比雪夫?yàn)V波器1、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求 11設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)于信號(hào)處理需要進(jìn)行濾波和放大，而現(xiàn)有的濾波放大器的可控性能不高，現(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的可控濾波放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大增益的可控制，并且能夠完成帶通濾波和某一平率波形的簡(jiǎn)單提取。12設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)選在低頻區(qū)，帶通濾波范圍在100Hz5kHz。帶通濾波增益有明顯的變化，范圍在40dB70dB之間即可。濾波區(qū)間變化較為平坦，頻段提取的中心頻率增益不小于10dB，提取頻

3、率2000Hz。13題目評(píng)析題目的重點(diǎn)在于濾波和放大，難點(diǎn)在于可控增益的放大和濾波性能的要求。要求設(shè)計(jì)的電路主要的功能就是濾波和控制放大，而如何做到濾波器性能的要求是濾波器設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)，而可控增益放大器則需要完成如何在要求范圍內(nèi)完成放大增益分貝。題目的實(shí)用價(jià)值在于現(xiàn)代通訊和傳感器領(lǐng)域中要求對(duì)信號(hào)做出處理，而放大和濾波兩種基本處理應(yīng)用非常廣泛，實(shí)現(xiàn)增益控制和濾波控制將為自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)很大的便利性，尤其是可編程控制的放大濾波器的運(yùn)用會(huì)非常的靈活方便，若是結(jié)合單片機(jī)的使用，將極大的提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于結(jié)合巴特沃茲濾波器、AD603芯片和MAX274芯片，實(shí)現(xiàn)了濾波放大和單一頻

4、率的波形提取，整體設(shè)計(jì)在參數(shù)計(jì)算工作量大大減少，而且在靈活性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，可以運(yùn)用在電機(jī)和變壓器對(duì)三次諧波的監(jiān)控或是信號(hào)中的諧波分析。2、方案比較與論證21濾波單元設(shè)計(jì)方案一：無源濾波RC無源濾波器具有電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，較好的低頻性能，但是RC參數(shù)計(jì)算較為困難，在濾波特性上與有源濾波相比有一定差距。方案二：有源濾波器有源濾波電路是指使用放大器實(shí)現(xiàn)濾波功能。有源濾波能夠?yàn)V除諧波，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。其優(yōu)點(diǎn)是反映動(dòng)作迅速，濾除諧波可達(dá)到95以上，補(bǔ)償無功細(xì)致。選用TI公司的LM324進(jìn)行濾波單元的設(shè)計(jì)。22增益放大單元設(shè)計(jì)方案一：使用數(shù)字電位器和普通運(yùn)放組成放大電路。通過控制

5、數(shù)字電位器來改變放大器的反饋電阻實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆?。這種方案硬件實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單, 但限于數(shù)字電位器的精度較低、檔位有限, 這種方案很難實(shí)現(xiàn)增益的精確控制, 同時(shí)數(shù)字電位器受信號(hào)的帶寬限制,在運(yùn)放環(huán)路中會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的通頻帶寬。方案二：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器，便于對(duì)放大增益的較精確控制，同時(shí)可以降低干擾和噪聲。綜上所述, 本設(shè)計(jì)采用方案二, AD603是一款低噪聲, 精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃? 溫度穩(wěn)定性高, 最大增益誤差為0.5dB, 滿足題目要求的精度, 其增益(d B )與控制電壓V 呈線性關(guān)系。23頻率波形提取單元設(shè)計(jì)方案一： 使用集成運(yùn)放組成的帶通濾波器，使中心頻率對(duì)應(yīng)要

6、求的提取頻率，此處使用切比雪夫響應(yīng)的濾波器較好，但是集成運(yùn)放在通帶頻率和阻帶頻率的確定較困難，而且切比雪夫?yàn)V波器雖然有很好的下降性，但是濾波的波紋較大，參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，精度難以提高。方案二： 使用開關(guān)電容濾波器組成的帶通濾波器，開關(guān)電容具有數(shù)字濾波器的離散特性，但是不必像數(shù)字濾波器那樣進(jìn)行AD和DA轉(zhuǎn)換，可以對(duì)模擬信號(hào)直接處理，而且速度和精度都大幅度提高，因此本設(shè)計(jì)采用的是開關(guān)電容濾波器進(jìn)行頻率波形提取。3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)31系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)要求，單一模塊無法完全達(dá)到，因此需要多級(jí)模塊串聯(lián)工作，分步完成，因此系統(tǒng)總體由三個(gè)設(shè)計(jì)單元串聯(lián)組，如方框圖3.1所示低頻濾波增益放大頻率波形提取控制電路

7、圖3.1 系統(tǒng)總體方框圖設(shè)計(jì)為三個(gè)單元串行連接，一級(jí)單元的輸出是下一級(jí)單元的輸入，對(duì)于系統(tǒng)的總體要求由每一塊單元單獨(dú)執(zhí)行。其中控制電路單獨(dú)對(duì)增益進(jìn)行控制，若濾波同樣采取開關(guān)電容濾波器，則完全可以實(shí)現(xiàn)可控濾波的操作，即對(duì)濾波器進(jìn)行編程操作或者以不同的時(shí)鐘脈沖輸入濾波器控制截止頻率，但是這需要單片機(jī)或者邏輯器件的輔助。最后開關(guān)電容對(duì)處理后的波形在此濾波，提取出指定頻率的波形來。32 系統(tǒng)的單元設(shè)計(jì)低頻濾波器的設(shè)計(jì)低頻濾波器是一個(gè)帶通濾波器，設(shè)計(jì)要求希望濾波器的響應(yīng)足夠平坦，因此選用巴特沃茲濾波器，使用一個(gè)巴特沃茲低通濾波器和一個(gè)巴特沃茲高通濾波器串聯(lián)組成巴特沃茲帶通濾波器。對(duì)于單一的巴特沃茲低通濾

8、波器，在2fc 處有較大的衰減，這里設(shè)定為在2fc 處信號(hào)衰減為-30dB，則有濾波器階數(shù)： N=A20log其中A為衰減分貝，為在2fc 處的歸一化頻率?？傻胣=2.16，定階數(shù)為二階。根據(jù)頻域的對(duì)稱性原則，巴特沃茲高通濾波器的階數(shù)也為二階，組成的是四階巴特沃茲帶通濾波器。二階巴特沃茲濾波器電路如圖所示，巴特沃茲濾波器的傳遞函數(shù)為：As=Asc2s2+cQs+c2其中c=1RC 是濾波器的截止頻率，As=1+R1R2 是濾波器的放大增益。把品質(zhì)因數(shù)定為Q=0.707，電容選用1nF，已知低通濾波器的截止頻率為5000Hz，則可求出R1R2 =0.5856，R=31.84k，對(duì)于集成運(yùn)算放大器

9、，要求兩輸入端的輸入電阻對(duì)稱，故2R=R1/R2，解得R1=172k，R2=101k。所得電路如圖所示圖3.2.1 巴特沃茲二階低通濾波器圖3.2.2 設(shè)計(jì)得到的電路圖巴特沃茲二階高通濾波器電路圖如圖所示圖3.2.3 巴特沃茲二階高通濾波器 巴特沃茲二階高通濾波器傳遞函數(shù)為：As=Asc2s2+cQs+c2截止頻率c=1RC 濾波器放大增益As=1+R2R1 已知截止頻率為100Hz，選取電容為0.1uF，可得出電阻R=16k，R2R1 =0.5856，R=R2/R1，可得R1=43k，R2=25.2k ，所得的電路圖如圖所示圖3.2.4 設(shè)計(jì)得到的電路圖將兩個(gè)巴特沃茲濾波器串聯(lián)，就可以得到濾

10、波器單元的設(shè)計(jì)電路圖。此單元完成信號(hào)濾波，使輸出的信號(hào)在100Hz5000Hz之間，高通濾波器和低通濾波器組成帶通濾波器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。可控增益放大器單元設(shè)計(jì)本單元的設(shè)計(jì)采用AD603AQ芯片，該芯片精密度高，控制精度好，溫度穩(wěn)定性高，增益與控制電壓成線性關(guān)系，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示圖 AD603AQ芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)部由固定放大器和增益可變的精密無源輸入衰減器組成，二者共同決定整個(gè)芯片的增益倍數(shù)，加在梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)進(jìn)過衰減后由固定增益放大器輸出，增益的調(diào)整由Vg電壓決定，在本設(shè)計(jì)中，芯片工作在模式三中，反饋端與輸出端斷路，F(xiàn)DBK對(duì)COMN連接一個(gè)18uF的電容用于擴(kuò)展頻率響應(yīng)，為高

11、增益模式，增益電壓Vg由一個(gè)滑動(dòng)變阻器控制，呈非線性變化。增益倍數(shù)的計(jì)算公式為VG=40Vg+30 dB，Vg的電壓不超過1v。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此處采用一片AD603，若是設(shè)計(jì)要求的增益倍數(shù)繼續(xù)擴(kuò)大，可采用兩片或者多片級(jí)聯(lián)工作。根據(jù)設(shè)計(jì)要求連接AD603的外圍電路，如圖所示。由于設(shè)計(jì)要求放大增益在40dB70dB之間，則要求Vg兩端的電壓在0.251v之間。使用滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，串聯(lián)電阻數(shù)值為1k、15k、4k，其中15k為精確的可調(diào)電阻，在電路圖中用滑動(dòng)變阻器表示。AD603芯片提供了整個(gè)電路的主要放大增益部分，增益理論設(shè)計(jì)在40dB70dB可調(diào)，滿足設(shè)計(jì)要求。頻率波形提取單元的設(shè)計(jì)本單元的設(shè)計(jì)

12、采用的是較為低級(jí)的可編程開關(guān)電容濾波器，選用的是MAX274開關(guān)電容，MAX274的帶通濾波截止頻率是由周圍電阻的阻值決定的，改變提取頻率則需要更換圖3.2.6 AD603的電路圖設(shè)計(jì)相應(yīng)的電阻。芯片是一個(gè)八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器，由四個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波器組成，可以實(shí)現(xiàn)巴特沃茲、切比雪夫、貝塞爾響應(yīng)濾波，噪聲低，動(dòng)態(tài)性能好，中心頻率在100Hz150kHz之間，符合設(shè)計(jì)要求。芯片及外圍連接如圖所示。確定開關(guān)電容濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，F(xiàn)0為中心頻率，則電阻R2 =2109F0，電阻R4=R2-5k，電阻R3=(Q109/F0)a，系數(shù)a的取值為端口FC連接的地方，本單元的設(shè)計(jì)為FC接地

13、。電阻R1=R3A，A為中心頻率的增益。系數(shù)a具體如圖圖3.2.8 系數(shù)a的具體取值圖3.2.7 MAX274及外圍連接圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求不低于10dB，這里把中心頻率的增益定為15dB，為了得到快速下降特性，濾波器模型為六階階切比雪夫?yàn)V波器，可求得如圖所示此單元為最后的頻率提取單元，將特定的頻率的波形輸出。4、系統(tǒng)仿真41低頻濾波器單元的仿真該單元的仿真圖如所示。圖4.1.1 低頻濾波器單元的仿真圖仿真結(jié)果為波特圖測(cè)試3dB時(shí)的頻率為82.94Hz和5.48kHz，其幅頻特性曲線如圖所示，此時(shí)輸入的信號(hào)頻率為2kHz。根據(jù)仿真結(jié)果，低頻濾波器的性能和誤差符合設(shè)計(jì)要求。圖4.1.2 幅頻特性曲線圖

14、42可控增益放大器單元的仿真該單元的仿真圖如圖所示。仿真結(jié)果該增益放大器的幅頻特性和波形圖如圖所示，此時(shí)輸入信號(hào)為2kHz。 圖4.2.2 幅頻特性曲線圖和示波器顯示的輸入輸出波形圖43頻率波形提取單元的仿真該單元的仿真圖如所示，其幅頻特性曲線如所示。由仿真結(jié)果來看，滿足設(shè)計(jì)要求的3000Hz波形提取。圖4.3.1 頻率波形提取單元的仿真圖圖4.3.2 頻率波形提取單元的幅頻特性曲線44一、二級(jí)單元串聯(lián)運(yùn)行兩級(jí)單元串聯(lián)運(yùn)行如圖所示，波形如圖所示，波形縱軸輸入的單位為5mv/Div，輸出的波形是5v/Div，放大倍數(shù)接近1000倍。圖4.4.1 兩級(jí)單元串聯(lián)的仿真圖5、結(jié)論本設(shè)計(jì)采用巴特沃茲濾波器和切比雪夫?yàn)V波器結(jié)合可控制增益放大模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行固定為100Hz5000Hz的低頻率部分的濾波，通過增益放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行可控放大，最后由切比雪夫?yàn)V波器對(duì)頻率為3000Hz的波形進(jìn)行提取。本設(shè)計(jì)旨在對(duì)濾波放大電路可控部分進(jìn)行改進(jìn)，缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)精度不高，對(duì)于切比雪夫?yàn)V波器和巴特沃茲濾波器的頻段控制仍依賴于外圍電阻的參數(shù)而不能達(dá)到高度自動(dòng)化，若是本設(shè)計(jì)結(jié)合單片機(jī)或者可編程邏輯控制器件