無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)

PAGEPAGE17長(zhǎng)沙學(xué)院模電課程設(shè)計(jì)說明書題目系(部)電子與通信工程系專業(yè)(班級(jí))姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師起止日期數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(11)系（部）：電子與通信工程系專業(yè)：電子信息工程課題名稱無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.技術(shù)參數(shù)了解4種無(wú)源濾波器的功能，熟悉無(wú)源濾波器的構(gòu)造。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)要說明電路的工作原理及本電路能達(dá)到的實(shí)用功能；采用Multisim軟件完成4種濾波器電路設(shè)計(jì)，要求仿真通過：a).低通濾波器b).高通濾波器c).帶通濾波器d).帶阻濾波器2.設(shè)計(jì)要求(1)求出所設(shè)計(jì)濾波器各參數(shù)：低通濾波器、高通濾波器：截止頻率。帶通濾波器、帶阻濾波器：中心頻率、帶寬、品質(zhì)因素。(2)計(jì)算并選擇電路元件及參數(shù)；(3)仿真調(diào)試電路；(4)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告及使用說明書。設(shè)計(jì)工作量1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)；2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真；3、在Multisim或同類型電路設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行仿真并進(jìn)行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計(jì)說明書，包括設(shè)計(jì)原理、仿真分析、調(diào)試過程，參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)總結(jié)等。進(jìn)度安排起止日期（或時(shí)間量）設(shè)計(jì)內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計(jì)方案論證第三天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第四天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第五天編寫設(shè)計(jì)說明書教研室意見年月日系（部）主管領(lǐng)導(dǎo)意見年月日長(zhǎng)沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表姓名李治兵學(xué)號(hào)2011026115專業(yè)電子信息工程班級(jí)1班設(shè)計(jì)題目無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師龍英指導(dǎo)教師意見：評(píng)定等級(jí)：教師簽名：日期：答辯小組意見：評(píng)定等級(jí)：答辯小組長(zhǎng)簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名：日期：系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計(jì)成績(jī)分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類；目錄一．無(wú)源濾波器的簡(jiǎn)介 51.無(wú)源濾波器定義 52.無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn) 53.濾波器的分類 54.無(wú)源濾波器的發(fā)展歷程 5二．無(wú)源濾波器的工作原理與電路與電路分析 61.工作原理 62.電路分析 7三．設(shè)計(jì)思路及電路仿真 111.無(wú)源低通濾波器 112.無(wú)源高通濾波器 113.無(wú)源帶通濾波器 124.無(wú)源帶阻濾波器 13四．設(shè)計(jì)心得與體會(huì) 15五．參考文獻(xiàn) 15一．無(wú)源濾波器的簡(jiǎn)介1.無(wú)源濾波器定義無(wú)源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無(wú)源濾波器。2.無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動(dòng)諧波治理方法。3.濾波器的分類⑴按所處理的信號(hào)按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。⑵按所通過信號(hào)的頻段按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。⑶按照階數(shù)來(lái)分通過傳遞函數(shù)的階數(shù)來(lái)確定濾波器的分類。4.無(wú)源濾波器的發(fā)展歷程（1）1917年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。（2）20世紀(jì)50年代無(wú)源濾波器日趨成熟。（3）自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展；（4）到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來(lái)并得到應(yīng)用。（5）80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。（6）90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。二．無(wú)源濾波器的工作原理與電路與電路分析1.工作原理濾波器是一種選擇裝置，它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加工和處理，從中選出某些特定的信號(hào)作為輸出。電濾波器的任務(wù)是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選頻加權(quán)傳輸。電濾波器是Campbell和wagner在第一次世界大戰(zhàn)期間各自獨(dú)立發(fā)明的，當(dāng)時(shí)直接應(yīng)用于長(zhǎng)途載波電話等通信系統(tǒng)。電濾波器主要由無(wú)源元件R、L、C構(gòu)成，稱為無(wú)源濾波器。濾波器的輸出與輸入關(guān)系通常用電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)H(S)來(lái)描述，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)又稱為電壓增益函數(shù)，它的定義如下（1）式中UO(S)、Ui(S)分別為輸出、輸入電壓的拉氏變換。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，S=jω，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成（2）式中表示輸出與輸入的幅值比，稱為幅值函數(shù)或增益函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性；(ω)表示輸出與輸入的相位差，稱為相位函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為相頻特性。幅頻特性與相頻特性統(tǒng)稱濾波器的頻率響應(yīng)。濾波器的幅頻特性很容易用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)僅研究一些基本的二階濾波電路。濾波器按幅頻特性的不同，可分為低通、高通、帶通和帶阻和全通濾波電路等幾種，圖附錄1—1給出了低通、高通、帶通和帶阻濾波電的典型幅頻特性。低通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(a)所示，圖中|H(jωC)|為增益的幅值，K為增益常數(shù)。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止頻率ωC的低頻信號(hào)，而對(duì)大于ωC的所有頻率則衰減，因此其帶寬B=ωC。高通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(b)所示。由圖可以看到，在0<ω<ωC范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于的頻率為通帶。帶通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(c)所示。圖中ωCl為下截止頻率，ωCh為上截止頻率，ω0為中心頻率。由圖可知，它有兩個(gè)阻帶：0<ω<ωCl和ω>ωCh，因此帶寬B=ωCh-ωCl。帶阻濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(d)所示。由圖可知，它有兩個(gè)通帶：0<ω<ωCl及ω>ωCh和一個(gè)阻帶ωCl<ω<ωCh。因此它的功能是衰減ωCl到ωCh間的信號(hào)。通帶ω>ωCh也是有限的。(a)低通濾波電路(b)高通濾波電路(c)帶通濾波電路(d)帶阻濾波電路圖1各種濾波電路的幅頻響應(yīng)二階基本節(jié)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)分別為：低通高通帶通帶阻式中K、ωp、ωz和Ｑp分別稱為增益常數(shù)、極點(diǎn)頻率、零點(diǎn)頻率和極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可分別寫成：低通高通帶通帶阻2.電路分析(1)無(wú)源低通濾波器如圖2所示。圖2無(wú)源低通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：（3）幅值函數(shù)為：（4）截止角頻率，截止頻率。（2）無(wú)源高通濾波器如圖3所示。圖3無(wú)源高通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：（5）幅值函數(shù)為：（6）截止角頻率ωc==,截止頻率=。（3）無(wú)源帶通濾波器如圖4所示。圖4無(wú)源帶通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：（7）幅值函數(shù)為：（8）當(dāng)時(shí)，稱為帶通濾波器的中心頻率，即（9）截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。由｜H(jω)｜的表達(dá)式可得（10）對(duì)上式求解得（11）（12），分別稱為上截止頻率和下截止頻率。通頻帶寬度B為（13）品質(zhì)因數(shù)Q為（14）可見二階帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q等于極偶品質(zhì)因數(shù)Qp。Q是衡量帶通濾波器的頻率選擇能力的一個(gè)重要指標(biāo)。（4）無(wú)源帶阻濾波器如圖5所示。圖5無(wú)源帶阻濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：（15）幅值函數(shù)為：（16）當(dāng)時(shí)，稱為帶阻濾波器的中心頻率，即（17）截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。由｜H(jω)｜的表達(dá)式可得（18）對(duì)上式求解得（19）（20），分別稱為上截止頻率和下截止頻率。阻頻帶寬度B為（21）品質(zhì)因數(shù)Q為（22）三．設(shè)計(jì)思路及電路仿真1.無(wú)源低通濾波器（1）先選定無(wú)源低通濾波器的截止頻率=2kHz。（2）再取兩個(gè)電阻R1=R2=R=1KΩ。（3）根據(jù)無(wú)源低通濾波器截止頻率計(jì)算公式==得C≈29.8nf,則取C1=C2=30nf。(4)根據(jù)以上參數(shù)，按圖6電路進(jìn)行仿真。圖6無(wú)源低通濾波器電路圖圖7無(wú)源低通濾波器仿真圖從圖中可以看出截止頻率=1.994kHz,則此濾波器能夠?yàn)V掉超過1.994kHz的波。2.無(wú)源高通濾波器（1）先選定無(wú)源高通濾波器的截止頻率=20kHz。（2）再選取兩個(gè)電阻R1=R2=R=1KΩ。（3）根據(jù)無(wú)源高通濾波器截止頻率計(jì)算公式==得C≈21.3nf,則取C1=C2=22nf。(4)根據(jù)以上參數(shù)，按圖8電路進(jìn)行仿真。圖8無(wú)源高通濾波器電路圖圖9無(wú)源高通濾波器仿真圖從圖中可以看出截止頻率=19.891kHz,則此濾波器能濾掉低于19.891kHz的波。3.無(wú)源帶通濾波器（1）先選定無(wú)源帶通濾波器的中心頻率=1.5kHz。（2）再選取兩個(gè)電阻R1=100Ω,R2=1KΩ,C1=1uf。（3）根據(jù)無(wú)源高通濾波器中心頻率計(jì)算公式=得C2≈0.11uf,取C2=0.1nf。(4)根據(jù)以上參數(shù)，按圖10電路進(jìn)行仿真。圖10無(wú)源帶通濾波器電路圖圖11無(wú)源帶通濾波器仿真圖1圖12無(wú)源帶通濾波器仿真圖2圖13無(wú)源帶通濾波器仿真圖3從圖中可以看出中心頻率=1.517kHz，通帶寬度BW=18.546kHz，品質(zhì)因素Q=/BW=0.08。則此濾波器能濾掉頻率超出133.618Hz~18.68kHz范圍之外的波。4.無(wú)源帶阻濾波器（1）先選定無(wú)源帶阻濾波器的中心頻率=5kHz。（2）再選取兩個(gè)電阻R1=R2=R3=R=1KΩ。（3）根無(wú)源高通濾波器中心頻率計(jì)算公式=得C1=C2=C3=C≈31.8nf.則取C1=C2=C3=30nf。(4)根據(jù)以上參數(shù)，按圖14電路進(jìn)行仿真。圖14無(wú)源帶阻濾波器電路圖圖15無(wú)源帶阻濾波器仿真圖1圖16無(wú)源帶阻濾波器仿真圖2圖17無(wú)源帶阻濾波器仿真圖3從圖中可以看出中心頻率=5.347kHz，通帶寬度BW=19.35kHz，品質(zhì)因素Q=/BW=0.28。則此濾波器能濾掉頻率范圍在1.251kHz~20.601kHz內(nèi)的波。四．設(shè)計(jì)心得與體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)的課題是無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器，在設(shè)計(jì)過程中，遇到過很多困惑，通過上網(wǎng)、圖書館查資料、咨詢老師等途徑等途徑解決了不少困惑。掌握了更多有關(guān)濾波器的知識(shí)。同時(shí)，在這次課程設(shè)計(jì)中也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。好多理論知識(shí)都還未掌握透徹，不能完全地把學(xué)到的正確的用在實(shí)踐中。另外，通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有