高通有源滤波电路.docx
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高通有源滤波电路
湖南文理学院
课程设计报告
有
源
高
通
滤
波
电
路
第一章简介
1.1设计要求.............................3
1.2设计作用与目的.......................3
1.3所用仪器设备.........................4
第二章设计原理
2.1设计方案及方案选择...................5
2.2模块电路设计及分析...................6
2.3总体设计.............................10
2.4元件参数.............................11
第三章设计硬件及软件过程
3.1Multisim仿真图......................13
3.2仿真结果.............................14
3.3系统调试结果分析.....................16
第四章总结与展望
第一章简介
1.1设计要求
有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分，衰减或抑制无用的频率成分，并对有用的频率成分具有一定的电压放大作用。
有源高通滤波电路应包括：
滤波电路；集成运放；反馈电路，三个部分。
滤波电路能有效滤除无用频率信号成分，保留有用频率信号成分。
集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用，使电路滤波特性趋于理想。
通过对有源滤波电路的探究，设计了一四阶有源高通滤波电路。
在Multisim10软件中进行仿真实验，对电路的频率特性和不同频率下输出的信号进行了分析，电路能有效滤除或衰弱频率为100Hz以下的电压信号，对频率100Hz以上的电压信号有放大作用。
最终结果基本达到了预期要求。
1.2设计作用与目的
滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，广泛应用于电力系统、通信发射机与接收机等电子设备中，它能减弱或消除谐波的危害，对无用信号尽可能大的衰减，让有用信号尽可能无衰减的通过，从而纠正信号波形畸变。
所以，无论信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术。
在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，尤其是有源高通滤波器。
它在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用，有源高通滤波器的优劣直接决定产品的优劣。
所以研究滤波器，具有重大意义。
1.3所用仪器设备
表：
有源高通滤波电路明细表
序号
代号
名称
规格
数量
备注
1
R1、R2、R3、R4
电阻
4.7kΩ
4
2
R5
电阻
18kΩ
1
3
R6
电阻
5kΩ
1
4
R7
电阻
2.7kΩ
1
5
R8
电阻
6.2kΩ
1
6
C1、C2、C3、C4
电容
0.33μF
4
7
U1、U2
运放
OP07
2
第二章设计原理
2.1设计方案及方案选择
有源高通滤波器应分为三部分：
滤波电路；集成运放；反馈电路。
滤波电路由R、C元件组成。
而集成运放和反馈电路构成了同相比例器或反相比例器。
选择不同的电路单元便有不同的设计方案。
2.1.1方案一：
二阶有源高通滤波器
二阶有源高通滤波器由RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
其方框图如图2.1所示。
从方框图可以看出：
二阶高通有源滤波器主要由RC网络；集成运放；反馈网络几部分组成。
输入信号通过RC网络选频，滤除或衰弱无用的频率信号成分，保留有用信号成分。
保留下来的信号成分通过集成运放和反馈网络进行放大，最后完整的输出。
2.1.2方案二：
四阶有源高通滤波器
由前面分析可知，二阶有源高通电路能滤除无用频率信号。
而四阶有源高通滤波电路可由两个二阶高通滤波电路级联而得到。
则由图2.2可推断：
四阶有源高通滤波器工作原理,输入信号经过电路第一级进行滤波，滤除、衰弱无用频率信号成分，有用成分被放大并被输入到电路第二级，再一次进行滤波和放大后，最后有用频率信号成分被完整输出。
2.1.3有源高通滤波器设计方案选择
滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的截止频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输增益。
阻带指标为带外传输增益的衰减速度。
根据前面的设计分析，可设计出简单高通滤波电路和高阶高通滤波电路。
由于二阶高通滤波器滤波效果不够好，幅频特性衰减率较低，而阶数过高则电路复杂，成本较高。
因此，采用四阶有源高通滤波电路比较合理。
2.2模块电路设计及分析
设计电路时应先考虑电路的总体结构。
信号要有选择的被滤除，最主要的是滤波电路的设计。
而信号被筛选之后，最好应有一定的放大，这样才能保证有完整的输出。
因此，应先分析有源高通滤波器的框架图，再设计各单元电路，接着是总体电路的整合，最后是元器件参数的设计分析。
一，有源高通滤波器的基本组成
滤波器是一个二端口网络，实现对输入信号的某些频率选择性通过的功能，而使其它频率的信号受到衰减或抑制。
实现这些功能的网络是振荡回路，即由RLC元件或RC元件构成的滤波器，也可以是由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
然后通过有源器件集成运放放大，实现滤波放大功能。
理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。
在通带和阻带之间存在一个过渡带，在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。
根据滤波器基本原理，易知有源高通滤波器的基本组成是：
RC选频网络；集成运放；反馈网络。
首先输入信号接入电路，通过滤波电路进行滤波，滤除截止频率以外的信号。
然后通过集成运放电路，实现信号放大。
为了保证集成运放工作在线性区和稳定输出电压，电路中引入了反馈电路。
最后系统输出滤波后的信号。
各单元电路的作用：
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
电路中运用了运放，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。
而反相放大器输入阻抗低，输出阻抗高。
3、反馈网络的作用
将输出信号的一部分或全部通过电路反送到输入端，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。
二，滤波电路部分设计
根据放大电路的频率响应，由于电抗元件及半导体管极间电容的存在，当输入信号频率过低或过高时，导致放大倍数数值变小，产生超前或滞后的相移。
对于高通滤波电路，当信号频率较低时，耦合电容和发射极电容很大，分压作用不可忽略。
由于耦合电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。
RC网络在电路中起着重要的作用，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。
1、一阶高通滤波电路图如图2.3所示。
由KCL分析得：
式1；
令
有：
式2；
带入式1可得：
式3；
则幅频特性：
，有：
式4；
相频特性：
式5；
由以上各式可知：
若
，有
，则:
，
；若
，有
，则：
，
；若
，有
，则：
，
。
2、高阶滤波电路可以由低阶滤波电路级联而成，由此可得二阶高通滤波电路图如图2.4所示。
分析可得其传输函数:
式6；
由以上分析可得，一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，过渡带较宽，幅频特性衰减小，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。
增加RC环节，变成二阶高通可加大衰减斜率。
三阶以上滤波器可由一阶和二阶滤波器级联而成。
三，集成运放加反馈电路部分设计
集成运放应用在信号的运算和处理中，以输入电压为自变量，以输出电压作为函数。
当输入电压变化时，输出电压将按一定的数学规律变化，即输出电压反映输入电压某种运算的结果。
为了实现本设计的通频带放大增益，对于基于理想运放的放大电路，采用“虚短”和“虚断”的分析方法，运放电路中应引入负反馈，使净输入量趋于零，才能保证集成运放工作在线性区。
为了稳定输出电压，引入电压负反馈。
运放电路的特征是从集成运放的输出端到其反相输出端存在反馈通路。
根据设计要求，输入端是信号电压源，输出端要求得到稳定的电压，因此放大电路中应引入电压串联负反馈或电压并联负反馈。
根据以上分析，可得电路设计如下：
1）同相比例运算电路：
根据“虚短”和“虚断”的分析方法，
有
净输入电流为零，因而可解得输出电压和输入电压关系：
式7；
2）反相比例运算电路：
根据“虚短”和“虚断”的分析方法,
由输入电流为
可得
为“虚地”，即可得：
;
式8；
整理可得输出电压和输入电压关系：
式9；
由以上分析可知，两个运算电路特点如下:
1）反相比例运算电路引入了深度电压负反馈，且
，输出电阻
。
尽管理想运放电路的输入电阻为无穷大，但是由于电路引入的是并联负反馈，故其输入电阻不大。
2）同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的特点。
2.3总体设计
滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。
滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的截止频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输增益。
阻带指标为带外传输增益的衰减速度。
根据前面的分析，可设计出简单高通滤波电路和高阶滤波电路。
采用反相输入设计时，系统的传输函数较复杂，故采用同相输入设计。
由于二阶高通滤波器滤波效果不够好，幅频特性衰减率较低，而阶数过高则电路复杂，成本较高。
因此，采用四阶有源滤波电路比较合理。
2.4元器件参数设计
实际滤波器的基本参数：
理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。
在通带和阻带之间存在一个过渡带，在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。
当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。
因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。
理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，故需用更多参数来描述。
理想滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。
实际的滤波电路往往难以达到理想的要求。
如果同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更为困难。
巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，本次设计采用巴特沃斯有源高通滤波电路。
设计截止频率
的高通滤波器。
电容器C的容量应在微法数量级，电阻的阻值应在几百千欧以内。
现选择电容大小
。
则根据公式可得：
选择标准电阻
这与计算值有一点误差，可能导致截止频率比额定频率稍有升高。
根据巴特沃斯低通，高通电路阶数与增益之间的关系
，
，因此总的通带增益
。
在选择R5，R6，R7，R8时，为了减少偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地直流电阻基本相等。
现选
，
，
则根据已知增益可算出:
第三章设计硬件及软件过程
Multisim美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
它提供了仿真实验和电路分析两种仿真手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分强电电路的仿真、分析和设计。
Multisim是一种优秀而易学的EDA（电子设计自动化）软件，与其他仿真分析软件相比，EWB的最显著特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚拟实验平台。
他几乎能对“电子技术”课程中所有基本电路进行虚拟实验，虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似，但比实际方便、省时。
它还能进行实际无法或不便进行的试验内容，通过储存和打印等方法可精确记录实验结果。
它提供十多种电路分析功能，能仿真电路实际工作状态和性能。
应用Multisim，便于实现边学边练的教学模式，使“电子技术”课程的学习变得更有趣而容易。
针对电路的仿真及其性能的分析。
在Multisim10中画出仿真图，利用相关测量工具对其性能进行仿真测试，通过对仿真测试结果的分析，了解电路性能是否达到预期要求。
3.1Multisim仿真图
在Multisim中画出设计的电路图如图3.1所示。
用2V交流电源（频率可变）作为输入信号，在电压信号幅值不变的前提下，改变其频率，便可测得电路对不同频率的信号的滤除作用。
在电路图的基础上加入示波器和扫频仪以测量电路输入输出波形以及相频，幅频特性。
得到电路图如图3.2所示。
3.2仿真结果
具体仿真测试结果如下：
1）波特图幅频特性
由图3.3可以看出，当f小于102.563Hz时，
随f升高而增大。
则表明频率越接近102.563Hz，信号就能通过电路放大并能有完整输出。
则截止频率约为100Hz。
与预期要求相符。
2）波特图相频特性
由图3.4可以看出：
截止频率约为102.563Hz,与设计的100Hz相差不大。
3）当输入频率为20Hz，2V的交流信号时，示波器输入输出波形如图3.5所示。
（红色为输入波形，黄色为输出波形）
由图可以看出，当输入信号频率为20Hz时，输入电压为2V，而输出电压仅有毫伏级别。
则信号被大大衰弱，达到了滤波作用。
而20Hz小于100Hz，与预期结果相符。
4）当输入频率100Hz,2V流信号时，输入输出波形如图3.6所示。
（红色为输入波形，黄色为输出波形）
当输入信号的频率等于截止频率100Hz时，输入信号能通过电路被放大输出。
仿真测量表明，当输入信号频率小于截止频率时，频率越接近截止频率，电压放大倍数越大，与设计要求相符。
5）当输入频率为200Hz,2v交流信号时，输入输出波形如图3.7所示。
（红色为输入波形，黄色为输出波形）
当输入信号大于截止频率时，信号能通过电路并能放大输出，可算出放大倍数为2.576，与预期相差不大。
6）在Multisim中利用电压表测量不同频率输入信号的输出幅值，如表1所示。
表1：
不同频率输入信号的增益
f（Hz）
Ui（V）
Uo（V）
Au
20
2
0.0074
0.0037
40
2
0.1192
0.0596
60
2
0.6002
0.3001
80
2
1.7960
0.8980
100
2
3.4790
1.7395
200
2
5.1530
2.5765
500
2
5.1590
2.5795
1000
2
5.1590
2.5795
2000
2
5.1590
2.5795
3.3系统调试结果分析
前面已算出：
，
。
由此可求出:
由于Q1<0.707,第一级曲线没有峰值；第二级由于Q2>0.707，在fc=100Hz附近出现峰值。
而总的增益是各级增益的乘积，因此总的幅频响应曲线消除了峰值，使四阶电路幅频响应的平坦部分得到扩展，体现了巴特沃斯高通滤波电路的特点。
从表1中可以看出：
当输入信号小于截止频率时，电路对输入信号起阻隔作用，但并不能完全阻隔信号输入；当输入信号大于截止频率时，电路对输入信号有放大作用，当输入信号的频率达到一定值时，电压增益稳定为2.5795。
从示波器仿真结果可知：
当输入信号小于截止频率时，随着频率的增大输出信号越完整越稳定，电压增益越大。
当输入信号频率小到一定值时，信号被阻隔，无输出信号。
当输入信号大于等于截止频率时，信号被放大，有完整输出。
因此，此有源高通滤波电路达到了预期要求，能够起到对低频信号衰弱，阻隔的作用。
从仿真结果可知此有源高通滤波电路能达到预期效果。
设计还存在很多不足。
由于分析运算放大器时，是将运放当成理想运放来考虑的，实际中会有些许偏差。
实际电路中会与设计中的一些电阻或电容的参数有些偏差，可能导致截止频率少许偏高或偏低。
另外，对于高于截止频率的信号，虽然电路能完整的输出并一定的放大，但是会有或多或少的相位移。
若能很好的控制电路元器件的参数使电路完整输出高于截止频率的信号成分并不产生较大相位移，则有源高通滤波电路的功能就会更趋于理想状态。
第四章总结与展望
四阶有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分，有效衰减或抑制无用的频率成分，并对有用的频率成分有一定的电压放大作用。
有源高通滤波电路应包括：
滤波电路；集成运放；反馈电路，三个部分。
滤波电路能有效滤除无用频率信号成分，保留有用频率信号成分。
集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用，使电路滤波特性趋于理想。
四阶有源高通滤波电路是由两节二阶滤波电路级联而成，其幅频特性曲线更接近理想特性。
在Multisim10软件中进行仿真实验，对电路的频率特性和不同频率下的输出信号进行了分析，电路能有效滤除或衰弱频率为100Hz以下的电压信号，能完整传送频率100Hz以上的电压信号，并对其有一定放大作用。
最终结果基本达到了预期要求。
设计还存在很多不足。
由于分析运算放大器时，是将运放当成理想运放来考虑的，实际中会有些许偏差。
实际电路中会与设计中的一些电阻或电容的参数有些偏差，可能导致截止频率少许偏高或偏低。
另外，对于高于截止频率的信号，虽然电路能完整的输出并一定的放大，但是会有或多或少的相位移。
若能很好的控制电路元器件的参数使电路完整输出高于截止频率的信号成分并不产生较大相位移，则有源高通滤波电路的功能就会更趋于理想状态。
参考文献
[1]彭介华.《电子技术课程设计指导》[M].北京:
高等教育出版社.2005.
[2]康华光.《电子技术基础模拟部分（第五版）》[M].北京:
高等教育出版社.2006.
[3]王连英.《基于Multisim10的电子仿真实验与设计》[M].北京:
北京邮电大学出版社.2009.
致谢
首先要感谢父母提供这么好的学习环境，若没有父母的养育便没有今天的我，更谈何学习与设计。
二十年来，父母无微不至的关心与照顾让我一直感到无比幸福。
为了报答父母的恩情，一定要好好学习专业知识，为将来工作打下扎实的基础。
接着要感谢学校，学校一直给我们提供良好的学习环境，让我们在实践中学到更多实际的知识。
然后要感谢指导老师戴正科老师细心的指导让我收获颇多为我们详细、耐心的为我们讲解各种问题；还要感谢提供帮助的学长们；最后要感谢那些和我一起完成实习的同学们，相互间的交流确实使问题变得简单很多。
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