程控濾波器設計與制作

1、清華大學 實驗課程設計報告課 程: 電子技術綜合實驗 題 目: 程控濾波器設計與制作 專業(yè)班級： 電子信息工程2012級 學 號： 學生姓名： 指導教師： 完成日期: 2015 年 6 月 目 錄摘 要11 緒論21.1 研究目的和意義22濾波器的原理和結構22.1 有源通用濾波器的結構22.1.1有源低通濾波器的設計（LP）22.1.2有源高通濾波器的設計（HP）32.1.3有源帶通濾波器的設計（BP）32.1.4有源帶阻濾波器的設計（BE）33控制電路的設計43.1 有源RC低通、高通、帶通和帶阻濾波器預置和切換43.2有源RC濾波器通帶截止頻率的控制54系統(tǒng)硬件電路設計64.1總體設計思

2、路64.2 有源RC通用濾波器階數(shù)的確定:74.3電阻和電容的確定：74.4有源RC濾波器反饋電阻RF1、RF2、RF3的確定74.5電容、電阻的精度85 系統(tǒng)軟件設計85.1 單片機內存單元分配：86 實驗結果及分析106.1測試圖106.2測試表格106.3 誤差分析:11結束語13I程控濾波器設計與制作專業(yè)：電子信息工程 班級：201202班 作者：* 指導老師：*摘 要 什么是濾波器呢？從廣義上來說，凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器，在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛，從某種意義上來說濾波器的發(fā)展進程就代表了電子業(yè)的發(fā)展進程，在所有的電子部件中，使用最多，技

3、術最為復雜的要算濾波器。濾波器的優(yōu)劣直接決定產品的優(yōu)勢，所以，對濾波器的研究和生產歷來為各國所重視。我國電子的行業(yè)還處于發(fā)展階段，相對于發(fā)達國家我們還有不小的差距，所以我們必須投入更大的女里改變這一現(xiàn)狀，從而做到不求人，只求己。本設計由高通部分（HP）和低通部分組成（LP），由高通和低通分別組成帶通（BP）和帶阻（BE）。并用單片機控制電子開關CD4066，可實現(xiàn)預置和顯示低通、高通、帶通和帶阻濾波器預置和切換。低通部分選用巴特沃斯有源低通濾波器，高通部分則將電容電阻互換即可實現(xiàn)。通帶截止頻率的控制采用固定電容，切換點組的方式。關鍵詞：高通；低通；帶通；帶阻；11 緒論1.1 研究目的和意義

4、濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件?！安ā笔且粋€非常廣泛的物理概念，在電子技術領域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時間信號，又習慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術的產生和飛速發(fā)展，為了便于計算機對信號進行處理，產生了在抽樣定理指導下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而

5、不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產生、轉換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了。2濾波器的原理和結構2.1 有源通用濾波器的結構2.1.1有源低通濾波器的設計（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。若將三個二階濾波器串聯(lián)，就可構成一個6階有源低通濾波器，其幅頻特性

6、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。電路如圖（1）所示。 2.1.2有源高通濾波器的設計（HP）將有源低通濾波器中的電阻和電容對換，即可實現(xiàn)有源高通濾波器。電路參見附一：電路原理圖。2.1.3有源帶通濾波器的設計（BP） 將有源高通濾波器和有源低通濾波器進行串聯(lián)來實現(xiàn)有源RC帶通濾波器。電路參見附一：電路原理圖。2.1.4有源帶阻濾波器的設計（BE） 將有源高通濾波器和有源低通濾波器進行串聯(lián)來實現(xiàn)有源RC帶阻濾器。電路參見附一：電路原理圖。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)構成的，因此系統(tǒng)

7、設計的關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。階巴特沃斯低通濾波器電路如圖(2)所示。 圖（2）通過EWB軟件仿真，得到有源RC低通契比雪夫(1)、有源RC低通巴特沃斯(2)、有源RC低通貝塞耳(3)濾波器幅頻特性曲線如圖（3）所示。階巴特沃斯低通濾波器EWB電路仿真結果參見附三：電路仿真結果通過對圖（3）中的三種幅頻特性曲線的比較和分析，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低通濾波器能達到較好的濾波效果。圖（3）3控制電路的設計3.1 有源RC低通

8、、高通、帶通和帶阻濾波器預置和切換用單片機控制電子開關CD4066，可實現(xiàn)預置和顯示低通、高通、帶通和帶阻濾波器預置和切換。該方案由低通和高通兩個模塊組成，方框圖如圖(4)所示 k2、k3、k4斷開，k1閉合時，預置為有源RC低通濾波器；k1、k2斷開，k3、k4閉合時, 預置為有源RC高通濾波器；k1、k3斷開，k2、k4閉合時, 預置為有源RC帶通濾波器；k2斷開，k1、k3、k4閉合時, 預置為有源RC帶阻濾波器；圖(4)3.2有源RC濾波器通帶截止頻率的控制要實現(xiàn)濾波器的截止頻率在1kHz20kHz范圍內按1kHz步進，有兩種方法：1、 固定電阻，切換電容由于電容的系列值較電阻少，且電

9、容的選取難，如果近似選取，產生的誤差較大，很難達到題目的要求。2、 固定電容，切換電阻由于電阻系列值較多，容易選取，且價格低，元器件參數(shù)的選擇和控制方便。3、綜合考慮比較以上兩種方法，我們選用第二種。4、電阻阻值的改變是通過接通或斷開電子開關來選取不同的電阻或兩個以上電阻并聯(lián)來實現(xiàn)的。電路圖如圖(4)所示。圖中Kia、Kib、Kic、Kid、Kie為電子開關。如果采用20個電阻并聯(lián)獨立切換，雖然滿足要求，但這種方法需要的電阻及開關多。如果電阻選取適當，通過設定Kia、Kib、Kic、Kid、Kie電子開關的不同接通狀態(tài),也可以實現(xiàn)通帶截止頻率可在1kHz20kHz范圍內步進可調。： 圖 (4)

10、經(jīng)理論計算，各開關狀態(tài)及通帶截止頻率的關系如下表所示：（表中各開關狀態(tài)為“1”，表示開關接通，為“0”表示開關斷開）開關狀態(tài)截止頻率（kHz）KiaKibKicKidKie100001010002110003001004101005011006111007000108100109000011010001110100112110011300101141010115011011611101170001118100111901011204系統(tǒng)硬件電路設計4.1總體設計思路 有源RC通用濾波器設計方框圖如圖(5)所示：通用濾波器信號輸入信號輸出 電子開關 鍵盤顯示電路單片機圖(5)4.2 有源RC通用

11、濾波器階數(shù)的確定: 對于巴特沃斯濾波器其幅頻特性一般表達式為: (為通帶截止頻率，f為輸入信號的頻率，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： 得到：n>=5.3(n 取整數(shù))經(jīng)上述計算至少需要6階巴特沃斯濾波器才符合要求。4.3電阻和電容的確定：設通帶截止頻率為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)絡中的電容為C=2200PF。 當通帶截止頻率f01KHz時，電阻R為72k； 當通帶截止頻率f02KHz時，電阻R為36K；

12、當通帶截止頻率f04KHz時，電阻R為18k；當通帶截止頻率f08KHz時，電阻R為9k；當通帶截止頻率f010KHz時，電阻R為7.2k；4.4有源RC濾波器反饋電阻RF1、RF2、RF3的確定為了使巴特沃斯濾波器幅頻特性在在其頂部平坦，同時滿足過渡帶的頻率特性要求，對各級的Q值設定有嚴格的規(guī)定：7Q1=0.517，Q2=0.707，Q3=1.931若取R=10K， 得到 RF1=680， RF2=5.86K， RF3=14.82K,則三級有源RC二階濾波器的放大倍數(shù)為Au=A1A2A3=(3-1/Q1) (3-1/Q2) (3-1/Q3)=4.19 為了滿足電壓放大倍數(shù)A=2倍的要求，必需

13、在輸入端增加一級放大器，放大器放大倍數(shù)應為2/4.1的衰減電路。4.5電容、電阻的精度為了達到精確和穩(wěn)定的要求，必須保證電容、電阻的精度，電阻通常應選取精度優(yōu)于1%，電容應采用高穩(wěn)定度的聚苯乙烯電容。5 系統(tǒng)軟件設計5.1 單片機內存單元分配：內存單元 存放內容72H對76H、75H單元內從1到20循環(huán)計數(shù)數(shù)據(jù)BCD碼轉換的低位73H對76H，75H單元內從1到20循環(huán)計數(shù)數(shù)據(jù)BCD碼轉換的高位74H對功能鍵K5從0到3循環(huán)計數(shù)75H對高通狀態(tài)加減鍵計數(shù)（按K3鍵計數(shù)加1，按K4鍵計數(shù)減1）76H對低通狀態(tài)加減鍵計數(shù)（按K1鍵計數(shù)加1，按K2鍵計數(shù)減1）77H存放K1，K2，K3，K4，K5對

14、應的鍵值30H，31H，32H，33H，34H78H7FH顯示緩沖區(qū)單片機控制程序流程圖6 實驗結果及分析6.1測試圖6.2測試表格帶通理論值（KHz）測量值（KHz）帶阻理論值(KHz)測量值（KHz）1-21.0271.9831-20.9972.0111-41.1023.9851-40.9954.0011-51.0054.8871-51.0054.8872-42.0373.9972-42.0374.0052-52.1034.8992-52.1034.9902-62.1675.8922-62.1675.9983-43.0873.9713-43.0874.0123-53.0544.9053-53.0544.9853-63.1715.9883-63.1716.1096.3 誤差分析: 通過對上表數(shù)據(jù)的分析，實際的截止頻率與理論上的截止頻率存在著誤差。經(jīng)分析，誤差主要來源于4066電子開關的導通電阻、電容的誤差和外來信號的干擾，為了減小誤差，改善濾波器的性能，可采取如下措施：（1） 輸入信號加屏蔽；（2） 單片機電源與通用濾波器電源分開；（3） 將濾波器進行電磁屏