模拟带通滤波器论文焦筱飞.docx
《模拟带通滤波器论文焦筱飞.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟带通滤波器论文焦筱飞.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模拟带通滤波器论文焦筱飞
编号：
数字信号处理综合设计
实训（论文）说明书
题 目：
数字信号处理综合设计
院（系）：
信息与通信学院
专 业：
电子信息工程
学生姓名：
学 号：
指导教师：
2013年 07月09日
2012-2013
（二）信息与通信学院
课程设计 任务书
指导教师姓名
学号
姓名
项目名称
数字信号处理综合实训
项目类型
软、硬件设计与制作
专业
电子信息工程
项目设计要求：
1、主要技术要求:
通过运放实现模拟带通滤波器要求：
①中心频率：
f0=16KHZ
②品质因素：
Q=1.6
③实现滤波器阶数至少二阶或者二阶以上。
④需频率函数图，至少要40个点及以上。
软件指标要求：
①对任意给定指标能实现IIR数字低通、高通、带通、带阻滤波器。
②画出滤波器的时域波形和频域波形。
2、参考资料（2-3篇）：
[1]王卫东.模拟电子电路基础，西安电子科技大学出版社，2003.
[2]王志刚，龚志星等.现代电子线路.北京：
清华大学出版社，2003：
312~314
[3]王公望.现代电子电路应用基础.西安：
西安电子科技大学出版社，2005：
19~25
[4]杨拴科.模拟电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2003：
222~223
[5]刘慧颖.MATLABR2007基础教程.北京：
清华大学出版社，2008：
286~322
[6]王琦，高军锋等.MATLAB基础与应用实例集萃[M].北京：
人民邮电出版社,2007
[7]罗建军，杨琦.MATLAB教程[M].北京：
电子工业出版社，2007
3、完成形式：
1、设计与制作可供实际检测的实物样机。
2、完成课程设计报告。
进度要求：
（一阶段完成电路板，二阶段完成软件设计实现，三阶段撰写论文、四阶段验收。
）
2013年7月2日：
完成硬件电路设计、调试；
2013年7月5日：
完成软件设计实现；
2013年7月9日：
撰写设计报告；
2013年7月10日：
统一进行实物验收和软件作品，上交课程设计报告（格式、内容必须符合）；
项目验收方式：
1、在规定的时间统一进行验收，验收时同时交设计报告。
2、学生提供实物作品交验时要同时附上一份整理打印好的指标自测记录表；
3、软件项目要上机运行检验，验收时提供一份打印的操作与功能简要说明。
主要器件：
精密波形发生器ICL8038一片；运算放大器OP07；电阻、电容若干。
摘 要
带通滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。
当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。
用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。
由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。
数字滤波器因其精度高、可靠性好、灵活性大等优点，在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。
根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR（有限长冲击响应）和FIR（无限长冲击响应）。
作为强大的计算软件，MATLAB提供了编写图形用户界面的功能。
所谓图形用户界面，简称为GUI,是由各种图形对象，如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。
MATALB可以创建图形用户界面GUI，它是用户和计算机之间交流的工具。
MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法，随着版本的提高，这种能力还会不断加强。
而且具有强大的绘图功能，可以轻松的获得更高质量的曲线图。
关键词：
MATLAB；GUI；IIR滤波器；FIR滤波器；运算放大器；有源带通滤波器；
Abstract
Thefunctionofthefilteristomakecertainfrequencywithinthescopeofthesignal,andthefrequencybyoutsidethescopecurbedthesignalorsharpattenuation.Whenthedisturbancesignalandtheusefulsignalnotinthesamefrequencyrange,canusefiltertosuppresstheinterferenceeffectively.
WithLCnetworkconsistingofpassivefilterinthelowfrequencywithinthearea,olumeweightexpensiveandattenuationshortcomings,butwithintegratedop-ampandRCnetworkconsistingofactivefilterismoreapplicabletolowfrequency,inaddition,italsohassomeofthegain,andbecausebetweentheinputandoutputhasgoodisolationandfacilitatecascade.Sincemostreflectthephotoelectricsignalhasaphysicalinformationlowfrequencyandamplitudesmall,vulnerabletointerference,andcharacteristicsoftheRCactivefilterswidelyappliedelectriclightweaksignaldetectioncircuit.ThehardwaredesignistheUA741topracticeneedfunction.
Digitalfilterforitshighaccuracy,goodreliabilityandflexibilitybigadvantagesinthespeechsignalprocessing,,signalspectrumestimation,signalde-noising,wirelesscommunicationfrequencyconversionandthedigitalimageprocessingandother projectsinpracticalapplicationareveryextensive.AccordingtothecharacteristicsofthefunctionofshockresponsetimecanbedividedintodigitalfilterIIR（limitedshockresponse）longandFIR（aninfinitelongshockresponse）.AsapowerfulcalculationsoftwareMATLABgraphicaluserinterfaceprovideswritethefunction.Theso-calledthegraphicaluserinterface,referredtoastheGUI,iscomposedofgraphicsobject,suchasgraphicwindowmenubutton,thetextframeconstructionsuchastheuserinterface.
MATALBcancreatethegraphicaluserinterfaceGUI,itisbetweenauserandthecom-putercommunicationtool.MATLABwillsupportallGUlusercontrolsareintegratedinthisenvironmentandprovideinterfaceappearance,attributesandbehaviorsresponseofthesettingmethod,withthewayofimprovingtheabilityoftheversion,willalsobeconstantlystrengthen.Andhasstrongdrawingfunction,caneasilygetahigherqualityofthecurve.
Keywords：
Matlab;GUI;IIRfilter;FIRfilter;Operationalamplifier;Activeband-passfilter;
目 录
引言 1
1 滤波器介绍及设计方案 2
1.1 滤波器的结构及介绍 2
1.2原理与总体方案 2
2、硬件设计 3
2.1 电路图 3
2.2芯片OP07介绍 4
3 MultiSim仿真 5
3.1 MultiSim电路图 5
3.2 MultiSim仿真分析 5
4 制板注意事项及调试 6
4.1 注意事项 6
4.2 调试 7
4.3 测试结果和幅频图分析 7
5 软件设计 8
5.1 MATLABGUI的简介 8
5.2 IIR和FIR数字滤波器设计原理 9
5.2.1IIR数字滤波器设计原理 9
5.2.2FIR数字滤波器设计原理 9
5.3 IIR和FIR滤波器设计思想 10
5.3.1IIR滤波器设计思想 10
5.3.2FIR滤波器设计思想 10
5.4 基于MatlabGUI的数字滤波器设计思路及实现 11
5.4.1“滤波器设计软件”设计所实现任务 11
5.4.2“滤波器设计软件”回调函数编写 12
6 总结 15
谢 辞 17
参考文献 18
附 录 19
引言
随着数字化进程的不断推进，数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。
但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。
所有数字系统的前端，一般需要一个对微弱信号预处理的部分；在抽样量化之前，还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。
这些都只能使用模拟滤波器。
RC有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。
其标准化电路的种类很少，仅使用及R、C元件，因此非常便于集成，这给推广应用带来革命性影响。
本文基于这一点介绍了常用RC有源滤波器的结构，以基于实现巴特沃斯逼近的带通波器设计为例，完成了其设计过程，并利用电子仿真软件MultiSim进行了仿真。
一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带（bandpass,允许通过的频带）如图0-1所示，同时限制限制所有通带外频率的波通过。
但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。
真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率的波。
事实上，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率（roll-off）。
滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。
一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。
图0-1理想的带通滤波器
根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR（有限长冲击响应）和FIR（无限长冲击响应）。
作为强大的计算软件，MATLAB提供了编写图形用户界面的功能。
所谓图形用户界面，简称为GUI,是由各种图形对象，如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。
MATALB可以创建图形用户界面GUI，它是用户和计算机之间交流的工具。
MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。
而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。
1 滤波器介绍及设计方案
1.1 滤波器的结构及介绍
通常用频率响应来描述滤波器的特性。
对于滤波器的幅频响应，常把能够通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。
滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。
任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。
对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由（n-1）/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。
1.2原理与总体方案
工作原理：
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。
图1-1 二阶带通滤波器
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。
实际上，并不存在理想的带通滤波器。
滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。
带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波电路相串联,可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止角频率ωH大于高通滤波电路的截止角频率ωn，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。
典型的带通滤波器（如图1-1）可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成，利用OP07芯片再将两个这样的滤波器串联即得四阶带通滤波器。
其电路性能参数计算如下：
通带增益
中心频率
通带宽度
选择性
而由题目给出 fh=1100HZ fL=900HZ
可得此fo=1000HZ B=200HZ
在中心频率计算公式中自定义给出R1、R2、C值，又中心频率已知，即可算出R3值；再在通带宽度公式中B、R1、R2、R3、C皆已知，即可得出Rf与R4比值。
设计出电路，如硬件设计中电路图。
2、硬件设计
2.1 电路图
图2-1四阶带通滤波器
如电路图各硬件参数与公式中对应关系：
即可算f0=16000HZ,Q=1.6,图2-1是将两个二阶带通滤波器连接而成四阶带通滤波器。
2.2芯片OP07介绍
Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
特点：
超低偏移：
150μV最大。
低输入偏置电流：
1.8nA。
低失调电压漂移：
0.5μV/℃。
超稳定，时间：
2μV/month最大
高电源电压范围：
±3V至±22V
图2-2OP07引脚图
主要参数：
参数名称
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入失调电压
U0≈1.4VRS=0
-
0.06
0.15
0.25
mV
输入失调电流
-
-
0.8
68
nA
输入偏置电流
-
-
1.8
7
9
nA
大信号电压增益
VCC=±15,RL=2KΩ
120
400
-
V/mV
共模抑制比
Rs≤10kΩ
100
120
-
dB
3 MultiSim仿真
3.1 MultiSim电路图
二阶带通滤波器的仿真电路图如图3-1所示：
图3-1仿真电路图
3.2 MultiSim仿真分析
输入中心频率为16KHZ时的输出波形分析结果图如图3-2所示：
图3-2在中心频率16KHZ时的输出波形
当频率为11KHZ时的输出波形分析结果图如图3-3所示：
图3-3频率为11KHZ时的输出波形
当频率为21KHZ时的输出波形分析结果图如图3-4所示：
图3-4频率为21KHZ时的输出波形
4 制板注意事项及调试
4.1 注意事项
（1）电阻的标称值应尽可能接近设计值，这可以适当选用几个电阻串并联；尽可能采用金属膜电阻电容及容差小于10%的电容，影响滤波器性能的主要因素是△R/R、△C/C及运放的功能。
（2）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则根据设计表调整修正相应元器件的值。
（3）制作板子过程中，为了节省材料，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳的功能。
所以板子元器件布局紧密。
而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少。
焊盘过孔设计合理。
4.2 调试
对安装好的电路按一下方法进行调整和测试：
（1）、仔细检查装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。
由于该电路是用双电源来供电的，所以在接入电源的时候一定要小心才行，以免电源输入出错，导致芯片被烧坏，测试不错数据。
（2）、在电路的输入端Vi=0.1V的正弦信号，慢慢改变输入的信号的频率，用示波器观察输出电压的变化。
在滤波器的所要求的中心频率时，输出电压是否最大，假如不是最大，就慢慢调动R1和R2，使在输入16KHZ时幅度最大。
假如是最大就测出幅度乘以0.707，求得幅度值，最后调动信号源的频率旋钮，使幅度值达到最大值的0.707倍，观看上下截止频率，求得带宽是否是10KHZ，假如不是也要继续调动R1和R3，这样重重复复调使数值符合要求为止。
（3）、观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计指标：
中心频率f0=16khz，Q=1.6。
输入信号Vi=0.1V，观察滤波器的下限截止频率fL及输出电压Vout。
按要求理论测试结果应为：
在相对低频时，如中心频率f0=16khz，输出电压V=0.13v；在下限截至频率fL=11.6khz时，输出电压V=0.092v,在上限截至频率fH=21.6KHZ时，输出电影V=0.092v。
（4）、最后调动信号源的频率旋钮，在中心频率往两边递减或递加测出20个点一个对应的幅度值，记录下来，总共要记录40个对应值，以前后面用来画出带通滤波器的幅频特性图。
4.3 测试结果和幅频图分析
电路板调试完成之后测出该电路板的40个频率对应的输出电压幅度的点，并用软件画出40个点的频谱图。
电路测试得到的输出电压和频率f～Vo关系表4.1：
表4.1输出电压和频率f～Vo关系 f/khz，Vo/mV
f
5
6
7
8
9
10
10.5
11
11.5
12
12.5
13
Vo
10
15.2
22.8
33.4
46.6
62.6
72.6
83.0
92
102.2
109.2
116
f
13.5
14
14.5
15
15.5
16
16.5
17
17.5
18
18.5
19
Vo
125.5
126.2
127.5
129
130
130.3
130
128.5
124.5
123.5
118.5
111.5
f
19.5
20
20.5
21
21.3
21.5
22
22.5
23
23.5
24
24.5
Vo
108.2
102.8
99
94.4
92.0
90.0
86.2
81.0
77.4
72.8
69.6
66.8
f
25
26
27
28
29
30
35
40
45
50
Vo
61.6
56.0
50.8
45.6
41.8
38.2
24.9
17.8
14.3
10.3
它的幅频特性曲线为图4-1：
图4-1幅频特性曲线
5 软件设计
5.1 MATLABGUI的简介
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
MATALB可以创建图形用户界面GUI（GraphicalUserInterface）,它是用户和计算机之间交流的工具。
MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。
而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。
5.2 IIR和FIR数字滤波器设计原理
5.2.1IIR数字滤波器设计原理
滤波器的设计质上是寻找一个既能物理实现，又能满足给定频率特性指标要求的系统传输函数。
IIR滤波器一般采用递归型的结构，系统的输入与输出服从N阶差分方程：
相应的传输函数为：
设计IIR数字滤波器就是要确定传输函数中的系数
、
或零极点增益
、
、A，使滤波器的频率特性满足给定的性能指标要求。
设计原理主要包括两个方面：
一是根据设计指标，先设计出相应的模拟滤波器再通过脉冲响应不变法或双线性变换法转换成对应的数字滤波器；二是选择一种优准则。
5.2.2FIR数字滤波器设计原理
根据数字滤波器冲激响应的时域特征,可将数字滤波器分为2种,即无限长冲激响应滤波器（IIRDF）和有限长冲激响应滤波器（FIRDF）。
FIRDF具有突出的优点:
系统总是稳定的、易于实现线性相位、
升级会员 