无源滤波器设计Word格式文档下载.docx
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(1)求出所设计滤波器各参数:
低通滤波器、高通滤波器:
截止频率。
带通滤波器、带阻滤波器:
中心频率、带宽、品质因素。
(2)计算并选择电路元件及参数;
(3)仿真调试电路;
(4)撰写设计报告及使用说明书。
设计工作量
1、系统整体设计;
2、系统设计及仿真;
3、在Multisim或同类型电路设计软件中进行仿真并进行演示;
4、提交一份完整的课程设计说明书,包括设计原理、仿真分析、调试过程,参考文献、设计总结等。
进度安排
起止日期(或时间量)
设计内容(或预期目标)
备注
第一天
课题介绍,答疑,收集材料
第二天
设计方案论证
第三天
进行具体设计
第四天
第五天
编写设计说明书
教研室
意见
年月日
系(部)主管领导意见
长沙学院课程设计鉴定表
李治兵
2011026115
专业
电子信息工程
班级
1班
设计题目
龙英
指导教师意见:
评定等级:
教师签名:
日期:
答辩小组意见:
答辩小组长签名:
日期:
教研室意见:
教研室主任签名:
系(部)意见:
系主任签名:
日期:
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类;
目录
一.无源滤波器的简介5
1.无源滤波器定义5
2.无源滤波器的优点5
3.滤波器的分类5
4.无源滤波器的发展历程5
二.无源滤波器的工作原理与电路与电路分析6
1.工作原理6
2.电路分析7
三.设计思路及电路仿真11
1.无源低通滤波器11
2.无源高通滤波器11
3.无源带通滤波器12
4.无源带阻滤波器13
四.设计心得与体会15
五.参考文献15
一.无源滤波器的简介
1.无源滤波器定义
无源滤波器,又称LC滤波器,是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路,可滤除某一次或多次谐波,最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联,可对主要次谐波(3、5、7)构成低阻抗旁路;
单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。
2.无源滤波器的优点
无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点,至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。
3.滤波器的分类
⑴按所处理的信号
按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。
⑵按所通过信号的频段
按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。
低通滤波器:
它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。
高通滤波器:
它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。
带通滤波器:
它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器:
它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。
⑶按照阶数来分
通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。
4.无源滤波器的发展历程
(1)1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。
(2)20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。
(3)自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展,滤波器发展上了一个新台阶,并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力,其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。
导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展;
(4)到70年代后期,上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。
(5)80年代,致力于各类新型滤波器的研究,努力提高性能并逐渐扩大应用范围。
(6)90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然,对滤波器本身的研究仍在不断进行。
二.无源滤波器的工作原理与电路与电路分析
1.工作原理
滤波器是一种选择装置,它对输入信号进行加工和处理,从中选出某些特定的信号作为输出。
电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。
电滤波器是Campbell和wagner在第一次世界大战期间各自独立发明的,当时直接应用于长途载波电话等通信系统。
电滤波器主要由无源元件R、L、C构成,称为无源滤波器。
滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H(S)来描述,电压转移函数又称为电压增益函数,它的定义如下
(1)
式中UO(S)、Ui(S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。
在正弦稳态情况下,S=jω,电压转移函数可写成
(2)
式中表示输出与输入的幅值比,称为幅值函数或增益函数,它与频率的关系称为幅频特性;
(ω)表示输出与输入的相位差,称为相位函数,它与频率的关系称为相频特性。
幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。
滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。
本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。
滤波器按幅频特性的不同,可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种,图附录1—1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。
低通滤波电路,其幅频响应如图1(a)所示,图中|H(jωC)|为增益的幅值,K为增益常数。
由图可知,它的功能是通过从零到某一截止频率ωC的低频信号,而对大于ωC的所有频率则衰减,因此其带宽B=ωC。
高通滤波电路,其幅频响应如图1(b)所示。
由图可以看到,在0<
ω<
ωC范围内的频率为阻带,高于的频率为通带。
带通滤波电路,其幅频响应如图1(c)所示。
图中ωCl为下截止频率,ωCh为上截止频率,ω0为中心频率。
由图可知,它有两个阻带:
0<
ωCl和ω>
ωCh,因此带宽B=ωCh-ωCl。
带阻滤波电路,其幅频响应如图1(d)所示。
由图可知,它有两个通带:
ωCl及ω>
ωCh和一个阻带ωCl<
ωCh。
因此它的功能是衰减ωCl到ωCh间的信号。
通带ω>
ωCh也是有限的。
(a)低通滤波电路(b)高通滤波电路
(c)带通滤波电路(d)带阻滤波电路
图1各种滤波电路的幅频响应
二阶基本节低通、高通、带通和带阻滤波器的电压转移函数分别为:
低通高通 带通带阻
式中K、ωp、ωz和Qp分别称为增益常数、极点频率、零点频率和极偶品质因数。
正弦稳态时的电压转移函数可分别写成:
低通高通
带通 带阻
2.电路分析
(1)无源低通滤波器如图2所示。
图2无源低通滤波器电路
正弦稳态时,电压转移函数可写成:
(3)幅值函数为:
(4)截止角频率,截止频率。
(2)无源高通滤波器如图3所示。
图3无源高通滤波器电路
(5)
幅值函数为:
(6)
截止角频率ωc==,截止频率=。
(3)无源带通滤波器如图4所示。
图4无源带通滤波器电路
(7)
(8)
当时,称为带通滤波器的中心频率,即
(9)
截止频率是幅值函数自下降3db(即)时所对应的频率。
由|H(jω)|的表达式可得
(10)
对上式求解得
(11)
(12)
,分别称为上截止频率和下截止频率。
通频带宽度B为
(13)
品质因数Q为
(14)
可见二阶带通滤波器的品质因数Q等于极偶品质因数Qp。
Q是衡量带通滤波器的频率选择能力的一个重要指标。
(4)无源带阻滤波器如图5所示。
图5无源带阻滤波器电路
(15)
(16)
当时,称为带阻滤波器的中心频率,即
(17)
(18)
(19)
(20)
阻频带宽度B为
(21)
(22)
三.设计思路及电路仿真
1.无源低通滤波器
(1)先选定无源低通滤波器的截止频率=2kHz。
(2)再取两个电阻R1=R2=R=1KΩ。
(3)根据无源低通滤波器截止频率计算公式==得C≈29.8nf,则取C1=C2=30nf。
(4)根据以上参数,按图6电路进行仿真。
图6无源低通滤波器电路图
图7无源低通滤波器仿真图
从图中可以看出截止频率=1.994kHz,则此滤波器能够滤掉超过1.994kHz的波。
2.无源高通滤波器
(1)先选定无源高通滤波器的截止频率=20kHz。
(2)再选取两个电阻R1=R2=R=1KΩ。
(3)根据无源高通滤波器截止频率计算公式==得C≈21.3nf,则取C1=C2=22nf。
(4)根据以上参数,按图8电路进行仿真。
图8无源高通滤波器电路图
图9无源高通滤波器仿真图
从图中可以看出截止频率=19.891kHz,则此滤波器能滤掉低于19.891kHz的波。
3.无源带通滤波器
(1)先选定无源带通滤波器的中心频率=1.5kHz。
(2)再选取两个电阻R1=100Ω,R2=1KΩ,C1=1uf。
(3)根据无源高通滤波器中心频率计算公式=得C2≈0.11uf,取C2=0.1nf。
(4)根据以上参数,按图10电路进行仿真。
图10无源带通滤波器电路图
图11无源带通滤波器仿真图1
图12无源带通滤波器仿真图2
图13无源带通滤波器仿真图3
从图中可以看出中心频率=1.517kHz,通带宽度BW=18.546kHz,品质因素Q=/BW=0.08。
则此滤波器能滤掉频率超出133.618Hz~18.68kHz范围之外的波。
4.无源带阻滤波器
(1)先选定无源带阻滤波器的中心频率=5kHz。
(2)再选取两个电阻R1=R2=R3=R=1KΩ。
(3)根无源高通滤波器中心频率计算公式=得C1=C2=C3=C≈31.8nf.则取C1=C2=C3=30nf。
(4)根据以上参数,按图14电路进行仿真。
图14无源带阻滤波器电路图
图15无源带阻滤波器仿真图1
图16无源带阻滤波器仿真图2
图17无源带阻滤波器仿真图3
从图中可以看出中心频率=5.347kHz,通带宽度BW=19.35kHz,品质因素Q=/BW=0.28。
则此滤波器能滤掉频率范围在1.251kHz~20.601kHz内的波。
四.设计心得与体会
这次课程设计的课题是无源滤波器的设计,包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器,在设计过程中,遇到过很多困惑,通过上网、图书馆查资料、咨询老师等途径等途径解决了不少困惑。
掌