滤波器的设计与实现论文学位论文.docx

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滤波器的设计与实现论文学位论文

信号与系统课程设计

课程名称：

信号与系统

题目名称：

滤波器的设计与实现

学院：

电气与电子工程学院

专业班级：

电气工程及其自动化

学号：

U201111844

学生姓名：

刘梦娜

指导教师：

黄劲

2013年08月25日

一、设计要求····································2

二、设计原理····································2

三、设计思路····································3

四、设计内容

4.1单元电路的设计……………………………………4

4.1.1原理图设计……………………………………4

4.1.2滤波器的传输函数与性能参数………………6

4.2电路的仿真与检验…………………………………8

4.2.1低通滤波器仿真………………………………8

4.2.2高通滤波器仿真………………………………10

4.2.3带通滤波器仿真………………………………12

五、设计感想··································14

六、参考文献··································15

一、设计要求

自己设计电路系统，构成低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。

利用Matlab或其他仿真软件进行仿真。

1.设计低通滤波器

2.设计高通滤波器

3.设计带通滤波器

二、设计原理

1、电容器C具有通高频阻低频的性能。

2、有源滤波器由放大电路部分和滤波电路部分组成。

图2.2.1RC有源滤波总框图

2.2.1子框图的作用

1．RC网络的作用

在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。

2.放大器的作用

电路中运用了同相输入运放，其闭环增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。

3.反馈网络的作用

将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。

三、设计思路

有源滤波器的设计是按照要求然后根据图表确定滤波器类型和阶数，再根据表格数据可得到滤波器中元件的参数，然后对该电路进行仿真，验证是否符合要求，具体步骤如下：

（1）根据阻带和通带衰减速率要求确定滤波器类型和阶数；

（2）查表得到参数并进行归一化设计；

（3）去归一化，确定具体参数；

（4）仿真电路，验证是否符合要求；

根据实际需求，我们期望得到一个在100Hz处衰减3dB在300Hz处衰减50dB的低通滤波器，和一个在50Hz处衰减3dB在10Hz处衰减50dB的高通滤波器。

对于低通滤波器归一化设计，先得到陡度系数As=

故在rads=3处衰减要大于50dB,查表得4阶0.5dB切比雪夫滤波器符合要求，

，

选择阻抗变化系数

故电路中

高通滤波器同理易得，采用的是3阶0.5dB切比雪夫滤波电路，

令

得到

带通滤波器就是将高通低通滤波器串联起来

四、设计内容

4.1电路的设计

4.1.1原理图设计

1.低通滤波器

低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

如图4.1.1.1（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。

它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

（a）.

（b）.

图4.1.1.1二阶低通滤波器

2.高通滤波器

高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。

将图4.1.1.1低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图4.1.1.2（a）所示。

高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系。

图4.1.1.2（b）为二阶高通滤波器幅频特性曲线。

（a）

（b）.

图4.1.1.2二阶高通滤波器

3.带通滤波器

带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。

典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。

如图4.1.1.3（a）所示。

本电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。

图4.1.1.3（b）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线。

（a）.

（b）.

图4.1.1.3二阶带通滤波器

4.1.2滤波器的传输函数与性能参数

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号，因受运算放大器带宽限制，这类滤波器仅适用于低频范围，根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻四种滤波器，它们的幅频特性如下图所示：

1.滤波器的传输函数

表4.1.2.1二阶RC滤波器的传输函数表

类型

传输函数

性能参数

低通

——电压增益

——低、高通滤波器的截止角频率

——带阻塞、带阻滤波器的中心角频率

BW——带通、带阻滤波器的带宽

高通

带通

2.单元电路性能参数

（1）.低通滤波器

　二阶低通滤波器的通带增益

截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

（2）.高通滤波器

　二阶高通滤波器的通带增益

截止频率，它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。

品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

（3）带通滤波器

通带增益

　中心频率　

　　通带宽度　

　选择性　　

4.2电路的组装与调试

应用Multisim，将电路原理图图形输入进行仿真，从而分别检验3db和5db时频率是否符合设计要求。

4.2.1.低通滤波器

仿真电路如下

下面验证是否符合设计

低通3db频率100Hz左右，符合设计要求

低通50db频率300Hz左右符合要求

经验证基本符合设计

4.2.2.高通滤波器

仿真电路如下

下面验证是否符合设计

高通3db同样符合要求

高通50db

经验证基本符合设计

4.2.3.带通滤波器

仿真电路如下

下面验证是否符合设计

带通3db1

带通3db2

带通50db1

带通50db2

经验证基本符合设计

五、设计感想

通过此次的课设，我学到了很多知识，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。

并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。

在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过课程设计，学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

在设计电路过程中，理论知识很重要，理论知识决定了设计的方法，设计电路的成败。

所以需要查找很多资料，需要足够的耐心、细心去研究问题，解决问题。

同时还必须有实事求是地分析问题的态度，知道理论与实际是有一些差别的。

六、参考文献

【1】《电子技术基础·模拟部分》高等教育出版社康华光1999年

【2】【美】《有源滤波器精确设计手册》电子工业出版社约翰逊穆尔1984年

【3】【美】ArthurB.williams著，宁彦卿等译．电子滤波器设计，科学出版社，2008年版

【4】【美】哈里拉姆著，鲁延丰等译，模拟和数字滤波器设计与实现，人民邮电出版社，1985年版