滤波器的设计与实现.docx

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滤波器的设计与实现

信号与系统课程设计报告

——滤波器的设计与实现

一、课程设计准备

1.在课程学习中对于滤波器的认识

滤波器主要功能是对信号进行处理，保留信号中的有用成分，去除信号中的无用成分。

其按处理的信号可分为数字滤波器和模拟滤波器，按频域特性分为低通、高通、带通、带阻滤波器，按时域特性可分为有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器。

低通滤波器：

让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。

高通滤波器：

让某一频率以上的信号分量通过，而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。

带通滤波器：

是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。

比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。

2.对于使用的模拟软件的简单介绍

Multisim是美国国家仪器（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。

该软件可实现的仿真的内容：

　　1．器件建模及仿真；

　　2．电路的构建及仿真；

　　3．系统的组成及仿真；

　　4．仪表仪器原理及制造仿真。

　　5．器件建模及仿真：

可以建模及仿真的器件：

　　6.模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；

7.数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；

在本次课设中，主要使用multisim的电路构建及仿真。

二、目标分析及思路过程

1.目标要求

本课程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PSPICE或PROTEL或其他软件仿真。

2.目标总体认识

对于课程设计题目，采用先画出电路图，再用仿真软件进行模拟的方式进行。

在模电课的学习中，对于滤波器的电路设计有了初步认识，而在结束信号与系统的学习之后，对滤波器也有了进一步的了解，对课本上提供的范例加以剖析和应用，就更能加深对此处知识的了解。

3.局部设计思路

a.二阶有源低通滤波电路

二阶有源低通滤波电路由两节RC滤波电路和同向比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。

同向比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即A0=

传递函数的推导：

Vp（s）=VA（S）/（1+sRC）

可得电路的传递函数为

而Ѡc=1/RC

Q=1/（3-AVF）

故而：

A（s）=A0Ѡc

/（s

+Ѡcs/Q+wc

）

其中，Ѡc为特征角频率，Q为其等效品质因数。

现在令fc=1kHz

根据Ѡc=2πf

计算出Ѡc=2πkrad/s

根据Q=0.707可计算得AVF=1.5856

选择R的阻值为R1=R2=R=50kΩ

故C=3.183nf

令R3=25kΩ

R4=Rf=（AVF-1）R1=14.64kΩ

绘图与仿真见第三部分

b.二阶高通滤波器

若将RC低通电路中的R和C的位置互换，就可得到RC高通电路。

同理，将上图二阶有源低通滤波器电路中的R与C位置互换，则可得到有源高通滤波电路。

传递函数为：

Q=1/（3-AVF）

Ѡc=1/RC

现在令fc=1kHz

选择R的阻值为R1=R2=R=50kΩ

故C=3.183nf

令R3=25kΩ

R4=Rf=（AVF-1）R4=14.64kΩ

绘图与仿真见第三部分

c.有源带通滤波器

将低通滤波器与高通滤波器相串联可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路截止频率ѠH大于高通滤波器电路的截止频率ѠL，两者的覆盖的通带就构成了一个带通响应。

现在设计一个带通滤波器，选择用一个截止频率为fH=10kHz的二阶低通滤波器与截止频率fL=100Hz的高通滤波器串联，构成所要求的带通滤波器。

先设定并计算该滤波器的参数。

低通部分：

截止频率fH=10kHz

Ѡc=20πkHz

Ѡc=1/RC

现令R1//R3=R2=10kΩ

计算得C1=C2=1.592nf

令R5=68kΩ

R4=39.8kΩ

高通部分：

截止频率fL=100Hz

Ѡc=200πHz

Ѡc=1/RC

现令R6=R7=0.5kΩ

计算得C3=C4=0.1uf

令R8=82kΩ

R9=48kΩ

绘图与仿真见第三部分

三、电路图与波形图

1.有源低通滤波器

电路图：

进行交流小信号分析仿真，得到其幅频响应图与相频响应图。

由幅频响应图可见其低频滤波特性。

2.有源高通滤波器

电路图：

由幅频响应图可见其高频滤波特性。

而当频率高于40k时，曲线出现下降是由于ua741的性能原因造成的。

3.有源带通滤波器

电路图：

由上图可见其具有滤波特性。

4.结果分析

低通滤波器经仿真后得到的波形较为理想，误差也较小。

高通滤波器的幅频响应图后段出现下降为器件自身原因所致，并不是设计问题。

带通滤波器的fH、fL选择合理，图形比较完整，在两个截止频率点的误差也比较小。

四、课程设计心得体会

这次课程设计完成过程虽然曲折漫长，可是却在设计中对于模电和信号与系统中关于滤波器的知识进行了更深层次的了解，通过自己的操作和设计，对于这部分知识也有了新的感悟和体会。

另外，在课程设计中，学习使用了Multisim11.0软件，对于软件的功能作了了解和拓展。

通过训练，已经可以在这个平台上熟练地进行电路图的绘制和电路的仿真。

这对于今后的学习也是大有裨益的。

课程设计的整个过程，让人学会去独立思考去完成公关与任务，也使思维得到锻炼。

在对于软件不了解的地方，我会向同学请教，在对于课题不懂的地方，会请优秀的同学共同斟酌思量，这种提高作用是明显的。

遗憾的是，课设并不是完美无缺的，重要的是在自己动手的过程中发现问题并不断改正。

最后对给予我帮助的同学和指导老师表示衷心的感谢！