滤波器的设计.docx

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滤波器的设计

一、设计简介

滤波器是指对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路。

其主要功能是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。

根据不同的要求，最常用的有源滤波电路有三种，即巴特沃思、切比雪夫和贝塞尔滤波电路。

根据设计的要求，本实验设计设计的滤波器以实现高通、低通、带通、带阻四种不同的功能。

为了比较各种不同的滤波器不同的滤波效果，本实验设计分别设计了不同种类的滤波器，并且比较它们的性能。

滤波器能够根据需要有选择的通过所需要频率的波，滤去不需要频率的波，以达到消除噪声，信息传递等目的，应用非常广泛。

常用的有无源滤波器，有源滤波器，开关滤波器，自适应滤波器，数字滤波器等，下面是各种滤波器的简介和分析

二、设计要求

分别设计不用种类的滤波器：

低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，比较低阶滤波器和高阶滤波器的性能、有源滤波器和无源滤波器的性能的好坏。

对自己设计出的滤波器进行评估。

使用orCAD进行仿真，得出各种滤波器的幅频特性曲线。

总结自己课程设计的心得体会。

三、设计路线

从低阶基本的滤波器着手，然后将不同的低阶基本的滤波器组合起来就可以构成其他种类的滤波器或者是高阶滤波器。

通过列写各个节点处的KCL方程，便可以得出高阶滤波器的传递函数。

接着根据设计要求，算出电路中各元件的参数，并借助orCAD软件进行仿真。

测试所设计的滤波器滤波能力的好坏。

1滤波器的分类

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。

通常有源滤波器分为：

●低通滤波器（LPF）

●高通滤波器（HPF）

●带通滤波器（BPF）

●带阻滤波器（BEF）

它们的幅度频率特性曲线如图所示：

2简单一阶低通有源滤波器

一阶LPF一阶LPF的幅频特性曲线

当f=0时，电容器可视为开路，通带内的增益为

一阶低通滤波器的传递函数如下

，其中

3简单二阶低通有源滤波器

为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。

它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。

二阶LPF的电路图如图所示，幅频特性曲线如图所示。

二阶LPF二阶LPF的幅频特性曲线

当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益：

二阶低通有源滤波器传递函数:

通带截止频率：

将s换成jω，令

可得

当

时，上式分母的模

解得截止频率：

与理想的二阶波特图相比，在超过

以后，幅频特性以40dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。

但在通带截止频率

之间幅频特性下降的还不够快。

4有源带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）

带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。

要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。

反之则为带阻滤波器。

二阶压控型BPF

以低通滤波器为例：

由图可以看出阶数越高，幅频特性曲线就越接近理想滤波器。

四、设计内容

一、低通一阶无源滤波器

传递函数为：

A（S）=

下图是一阶低通滤波器设计图

下图是上面电路的幅频特性曲线

二、低通一阶有源滤波器

设计电路图

滤波器的幅频特性曲线

通过有源和无源滤波器的比较可以看出，有源滤波器的滤波效果相对来说较好，后面接负载后，对滤波效果影响较小，但也有造价较高，构造相对复杂的缺点。

三、低通二阶无源滤波器

设计电路图

滤波器的幅频特性曲线

四、低通二阶有源滤波器

设计电路图

滤波器的幅频特性曲线

通过对比一阶滤波器的滤波效果和二阶滤波器的滤波效果，我们可以看出二阶滤波器的滤波效果要好于一阶滤波器，同理阶数越高的滤波器滤波效果越好。

在对信号要求较高的电路中可以使用阶数较高的滤波器，可以达到更好的效果

五、高通一阶无源滤波器

设计电路图

滤波器的幅频特性曲线

六、高通一阶有源滤波器

设计电路图

滤波器的幅频特性曲线

七、高通二阶无源滤波器

设计电路图

滤波器的幅频特性曲线

八．高通二阶有源滤波器

滤波器的幅频特性曲线

九、带通二阶有源滤波器

传递函数

A（S）=

设计电路图

带通滤波器的幅频特性曲线

此带通滤波器是由一个高通滤波器和一个低通滤波器串联而成，这样高频滤波器会去除信号中低频部分，而低频滤波器会去除信号中的高频成分，让要使用的频率成分通过滤波器。

为了实现更好的滤波效果，该设计的滤波器的高频滤波器和低频滤波器都采用有源二阶滤波器，并且使用运放放大电路隔离两次滤波过程，减少后面电路接负载时对前面负载的影响，提高了滤波效果。

十、带阻有源二阶滤波器

A（S）=

设计电路

滤波器幅频特性曲线

此带阻滤波器是由一个高通滤波器和一个低通滤波器并联而成，这样高频滤波器会使信号中高频成分通过，而低频滤波器会使信号中的低频成分通过，让要使用的频率成分通过滤波器。

为了实现更好的滤波效果，该设计的滤波器的高频滤波器和低频滤波器也都采用有源二阶滤波器，并且使用运放放大电路隔离两次滤波过程，减少后面电路接负载时对前面负载的影响，提高了滤波效果。

五、心得体会

这次课程设计是我第一次课程设计，期间经过了选题、构思、软件仿真、课程设计总结等几个方面，虽然中途遇到的很多困难，但是每次都没有放弃，而是通过自己的努力和毅力顽强的把问题解决，我想这个过程深深的培养了自己独立解决问题的能力。

在课堂上我们学习有关的滤波器知识并不是很多，所以在课下翻阅了一定量的书籍，通过自学，我丰富了自我的有关滤波器的知识，让自己知道的更多了，但是我觉得更重要的是这个过程培养了我的自学能力，这种能力将会在以后给我很大的帮助。

另外，我认为这次课程设计对每个人的耐心都是一种考验，诚然，完成这样的课程设计需要我们投入很多的时间，很多的精力，这培养了我们在面对困难的时候的耐心，如此一来，在以后遇到其他困难的时候我们就会更加有耐心，不至于半途而废。

此外，在这次课程设计中，我还学会了如何使用orCAD进行电路图设计、绘制、仿真等，在使用这个软件时候必须认真选取元件以及元件的参数值才能够仿真出较好的效果。

六、参考文献

1信号与系统基础（英文影印版）

EdwardW.KamenBonnieS.Heck著

2电子技术基础模拟部分（第五版）

康华光著

3《电路的计算机辅助分析——MATLAB与PSpice应用技术》电子工业出版社。

戚新波著