精品高阶低通有源滤波器研究与设计毕业论文设计Word格式文档下载.docx

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Abstract

DesignandSimulationoftheHigh-levelLow-passFilterBasedonMATLAB

DesignandSimulationoftheHigh-levelLow-passFilterBasedonMATLAB

Filteriswidelyusedinthefieldofmoderncommunication,thispaperdesigned8orderButterworthlowpassfilterusingbutterculvertPROTEL,simulationiscarriedout.Simulationoftheinputsignalisusedinthesynthesisofthreedifferentfrequencysinesignals.Thecombinedsignalthroughalowpassfilter,theofthefilter.UsingthePROTELfilterdesign,maketheprogramdesignoftheoriginalcomplexintosimplefunctioncallsthePROTELSignalProcessingToolboxprovidesaideddesigntoolisverygoodforthedesignandanalysisoffilter.

Keywords：

Lowpass;

filter;

PROTEL

第1章绪论

1.1前言 

随着现代通信技术的不断的进步与发展，滤波器是现代通讯系统中不可缺少的器件之一，在过去的几年中迅速发展的过滤器是一种复杂的选频网络，其对在一定的频率范围内的信号予以很小的衰减,使这部分信号可以通过,而其它电信号予以很大程度上的衰减使其不能通过，从而尽可能地阻止这部分信号通。

本次研究的课题就是对一组合成信号通过滤波器后分离出需要频率的信号并利用软件仿真，进行此次仿真的软件我选择利用Protel。

Protel软件具有很强大的功能，具有一种方便的数据信息可视化技巧，使用向量和矩阵,可以标记为图形。

而且可以将矩阵和向量用图形的形式表达出来，而且同时对图形进行打印和标注。

较高水平技巧的作图有表达式作图、二维可视化作图和三维的可视化作图、数字图象处理和动画作图。

现在被广泛应用于科学领域和工程方面绘图。

它在数学类科技应用和计算方面是首屈一指的数值程序。

用Protel对矩阵操作,绘图函数和数据、实现算法、创建用户界面,连接其他的编程语言、程序等,主要应用于工程方面的计算、控制与设计、信号处理以及通讯、数字图像处理、金融模型的建立与设计等。

1.2课题背景

在科学研究和工程实践中，经常会遇到检测毫微伏量级信号的问题，比如材料分析的时候测量荧光的光强、红外的探测、测量地震的波形以及波速、生物的电信号测量以及卫星信号的接受等等。

测量技术中的一个综合性的技术分支就是微弱信号的检测，它利用物理学、电子学和信息论的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。

1.3研究的目的与意义

无论何种微弱信号检测技术都需要首先对信号进行预处理，然后经过AD采样，送入计算机进行各种处理。

信号预处理一般由前置放大电路、中间放大电路、滤波电路和直流电源电路等四部分组成。

对前置放大电路的要求是输入阻抗高、噪声系数小，中间放大电路要求放大倍数高，滤波电路初步完成对噪声的滤除，直流电源为上述电路提供稳定的直流电压。

第2章任务设计与介绍

2.1设计任务

在科学研究和工程实践中，经常会遇到检测毫微伏量级信号的问题，比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号的测量等等。

微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号[1]。

本课题研究中间放大和滤波电路，主要内容及要求：

1.各种放大电路滤波电路优缺点对比，确定出有源低通滤波、放大电路方案，并画出原理图；

2.电路原理图仿真、版图绘制；

3.电路组装、调试，并与其它电路连接、调试。

2.2滤波电路的比较

无源滤波电路

只有无源元器件所组成的滤波器，它是利用了电感和电容元器件的电抗会随着频率的变化而变化的原理构成的。

这一类滤波器的优点就是：

电路比较的简单，不需要直流电源来为它供电，可靠性比较高；

缺点就是：

通带内信号会有能量的损耗，负载效应会比较的明显，当使用电感元器件时比较容易引起电磁感应现象，当电感L比较大的时候滤波器的重量和体积都会比较大，在低频域并不适用。

有源滤波电路

由有源器件和无源元件所组成。

这种滤波电路它的优点就是：

通带内不仅没有将信号能量损耗，而且还将信号放大，负载效应变得不明显，多个电路相互联接时影响很小，利用多级联接的方法很容易就能构成一个高阶滤波器，这种高阶滤波器的占用位置小、携带方便、不需要磁屏蔽；

缺点是：

通带范围受带宽限制，限制主要由有源器件决定，电力供给由直流电源提供，和无源滤波器相比可靠性比较低，适用场合受到限制，高压，高频，功率较大的场合就不适用。

低通滤波

我们可以简单解释低通滤波：

设置一个频率点，当信号的频率高于这个频率的时候，信号频率就不能通过，在数字信号当中，这个频率点也被称为截止频率，当频域比这个截止频率高的时候，那么就全部给定为0值。

由于在这个处理过程当中，让低频的信号全部都通过了，所以又称它为低通滤波。

高通滤波

高通滤波是只对低于某一给定频率以下的频率成分有衰减作用，而允许这个截频以上的频率成分通过，并且没有相位移的滤波过程。

主要用来消除低频噪声，也称低截止滤波器。

高阶滤波器

为达到高的衰减量，或者换句话衰减要很快的上升，这就需要多阶的滤波器组合，以巴特沃思为例，奇数高阶低通滤波电路是一个一阶巴特沃思（Butterworth）低通滤波电路和若干个二阶巴特沃思滤波网络的级联，偶数高阶低通滤波电路是若干个二阶巴特沃思滤波网络的级联。

例如，五阶巴特沃思低通滤波器，由两个二阶和一个一阶巴特沃思低通滤波器组成。

各种滤波电路性能的比较

类型

性能

电容滤波

电感滤波

LC滤波

RC或LCπ型滤波

UL（AV）U2

1.2

0.9

θ

小

大

适用场合

小电流

负载

大电流

适应性

较强

由以上比较可得，选用高阶低通有源滤波器完成本次试验

2.3原理描述

因为和正常信号频率相比，有害的电磁干扰的频率要高很多，所以高阶低通滤波器主要通过选择性的阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。

基本上，高阶低通滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流频率通过，同时它还可以看做是一个高频的截止器件。

高阶低通滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使敏感电路接收不到这些有害的高频噪声。

[2]这样，高阶低通滤波器就能显著衰减或降低了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。

2.3.1总体方框图设计

原理图

四个跟随电路，起到隔离作用，提高输出能力

两个放大电路，将过滤之后的波形放大

2.3工程介绍

2.3.1滤波器的介绍

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。

随着电子市场的不断发展也越来越被广泛生产和使用。

滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。

主要的作用是尽可能无衰减的通过有用的信号，对无用的信号尽可能大的进行反射。

一般滤波器都有两个端口，一个输入端口、一个输出端口，利用这样的特性可以选通通过滤波器的一个复合噪波或方波群，从而可以得到一个特定的频率的正弦波。

[3]滤波器其实就是一个选频电路，他的主要功能是允许一部分的频率信号顺利通过，另一部分的频率信号会受到很大抑制。

滤波器中，信号可以通过的频率的范围，我们称之为通频带或者通带；

反之，信号受到很大衰减或者完全被抑制了的频率的范围称之为阻带；

通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；

[4]滤波器是由电容器和电感器构成的网络，可以分开混合的直流交流电流。

在电流整流器中，就是借助了这个网络的滤净脉动直流中的涟波，从而获得的直流输出会比较的纯净。

L型滤波器，是由一个电感器和一个电容器构成的一种最基本的滤波器，各种类型的滤波器，都是用集合L型单节的滤波器组合而成的。

一个并联臂和一个串联臂组成基本的单节式滤波器，并联臂就是电容器，串联臂就是电感器。

在声频和电源电路中最通用的滤波器就是π型和L型两种。

拿L型滤波器来说，它的电容抗XC和电感抗XL，对任意一个频率是一个常数，关系式为XC·

XL=K2。

所以L型滤波器又可以叫做K常数滤波器。

加入一个滤波器的构成部分，和K常数型相比有比较尖锐的截止频率，但是同时对这个截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，叫做M常数滤波器。

截止频率就是和滤波器尖锐谐振的频率。

带阻滤波器和通带都是M常数滤波器，M就是截止频率和被衰减的其他的频率的衰减比的函数。

每一个M常数滤波器的阻抗和K常数滤波器之间的关系，都是由常数M决定的，这个常数在0到1之间。

当M趋近于0时，会提高截止频率的尖锐度，但是随之减小的事截止频率的倍频的衰减率。

当M等于0.6时，最实用，如果一个频率需要被截止，可以调节共振臂。

共振臂的有效Q值的大小决定了M常数滤波器的衰减度。

[3]

从大方面分类，滤波器可以分为数字滤波器和模拟滤波器，模拟滤波器由电感，电路，电阻，和原器件组成；

在实际生活中使用的广泛的是数字滤波器。

从实现的方法上来分，数字滤波器可以分为FIR和IIR，就是有限冲激响应滤波器和无限冲激响应滤波器；

其中有反馈回路的事IIR网络，没有反馈回路的事FIR网络。

从小方面分类：

1.按处理的信号可以分为数字滤波器和模拟滤波器。

2.按通过信号的频滤范围可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器。

低通滤波器是一种能通过低于截止频率的信号，但是会拦截高于截止频率信号的电子滤波装置。

分量通过某一频率以下的信号，对该频率以上的信号分量大，抑制大的电阻、电感与电容等器件的组合装置。

低通滤波器的概念有很多的不同形式，其中包括了图像模糊处理，电子线路等等，这两个工具都通过保留长期发展趋势、剔除短期波动提供信号的平滑形式。

低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（movingaverage）所起的作用；

[5]

低通滤波器有很多的种类，其中，最常用的就