有源滤波器设计报告.docx
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有源滤波器设计报告
湖南工学院
课程设计说明书
课题名称：
语音滤波器
专业名称：
自动化
学生班级：
学生姓名：
学生学号：
指导老师：
设计时间：
2009年6月7日
前言
在无线电通信、非电量及微弱信号检测、电视接收机、自动控制等电路中，所能接收到的信号通常都是很微弱的，且其中还湿杂有无用或有害的信号，这对电路的正常工作将会造成影响。
为了消除这种影响，就需要用滤波器，便有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用及有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。
用电感器和电容器所组成的滤波器属无源滤波器，具有成本低、电路简单的特点。
按工作频率的范围，可分为低通滤波器、高通滤波器及带通滤波器。
低通滤波器只有低频信号能通过而高频信号不能通过;高通滤波器只有高频信号能通过而低频信号不能通过;带通滤波器只有某一个通频带范围内的信号能通过，而在此之外的其他频率的信号不能通过。
滤波电路的分类：
（按工作频率的不同）
低通滤波器：
允许低频率的信号通过，将高频信号衰减。
高通滤波器：
允许高频信号通过，将低频信号衰减。
带通滤波器：
允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号减。
前言…………………………………………………………………2
第一章语音滤波器设计书………………………………………4
1.1设计目的…………………………………………………………………4
1.2技术指标…………………………………………………………………4
1.3设计要求…………………………………………………………………4
第二章滤波器的传输函数与性能参数…………………………5
2.1RC有源滤波器幅频特性………………………………………………5
2.2二阶RC滤波器的传输函数……………………………………………6
第三章滤波器的快速设计方法…………………………………8
3.1滤波器性能参数的表达式……………………………………………8
第四章设计原理与步骤…………………………………………9
4.1二阶低通滤波器设计……………………………………………………9
4.2高通滤波器的设计……………………………………………………10
第五章测试验证………………………………………………13
5.1测试上限频率……………………………………………………………13
5.2测试下限频率……………………………………………………………14
附录…………………………………………………………………17
一、EWB仿真…………………………………………………………………17
二、Protel印制图……………………………………………………………17
心得体会……………………………………………………………20
使用器材……………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………22
第一章语音滤波器设计
1.1设计目的
1.学习有源滤波器电路的设计方法。
2.掌握二阶RC有源滤波器性能参数的测试技术。
1.2技术指标
截止频率Fh=2000HZ,Fl=200HZ,Av=4.阻带衰减速率为-40Db/10倍频。
1.3设计要求
1.设计一个满足要求的二阶有源滤波电路。
2.要求绘画出原理图，并用Protel画出印制板图。
3.根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数。
4.再万能版或面包板或PCB板上安装好电路并测试。
5.测量低滤波器性能参数，截止频率，带内增益Av和阻带衰减速率。
6.用EWB对电路仿真，并打印出幅频特性和相频特性曲线。
7.拟定测试方案和设计步骤。
8.写出设计性报告。
第二章滤波器的传输函数与性能参数
2.1RC有源滤波器幅频特性
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此范围以外得信号。
可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。
根据对频率范围的选择不同，可分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器，它们的幅频特性如图2-1所示。
具有理想的幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的。
常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应切比雪夫等波动响应。
在不允许带内有纹波的应用中，采用巴特沃斯响应的滤波器较好。
如果给定阶数n和带内允许的偏差，采用切比雪夫响应的滤波器较好，因其阻带衰减速率比巴特沃斯响应的要大的多，但切比雪夫滤波器的相频特性比巴特沃斯的要差，如图2-2所示。
一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。
滤波器的阶数n越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。
因为任何高阶的滤波器均可以用较低阶的滤波器级联实现。
图2-1滤波器的幅频特性
（a）低通（b）高通（c）带通（d）带阻
图2-2巴特沃斯相应与切比雪夫相应比较
（a）巴特沃斯幅频特性（b）巴特沃斯相频特性（c）切比雪夫幅频特性（d）切比雪夫相频特性
2.2二阶RC滤波器的传输函数
表2-1二阶RC滤波器的传输函数
实现表2-1所示传输函数的常数电路有电压控制电压源（VCVS）电路和无限增益多路反馈（MFB）电路，图2-3所示电路为压控电压源电路。
其中运算放大器为同相输入接法，因此滤波器的输入阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。
故称这种电路为电压控制电压源电路。
其优点是电路性能稳定，增益容易调节。
图2-4所示电路为无限增益多路反馈电路，其中运算放大器为反相输入接法，由于放大器的开环增益为无限大，反相输入端可视为虚地，输出通过C2、R3形成两条反馈支路，故称这种电路为无限增益多路反馈电路。
其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节不太方便，对其它性能参数会有影响，其应用范围比VCVS电路要少。
图2-3压控电压源（VCVS）电路图2-4无限增益多路反馈（MFB）电路
第三章滤波器的设计方法
3.1滤波器性能参数的表达式
图2-3是二阶压控电压源低通滤波器的电路，其传输函数的表达式为
（3-1）
与表2-1低通滤波器传输函数的通用表达式相比较，可得滤波器性能参数的表达式为
（3-2）
（3-3）
（3-4）
在设计滤波器时，通常给定的性能指标有截止频率fc或截止角频率ωc,带内作用Av，以及滤波器的品质因数Q。
对于二阶低通（或高通）滤波器，通常取Q=0.707，如图（3-1）所示。
在设计中，如果仅由ωC、Av及Q这三个数求出电路中的所有R、C元件的值，是相当困难的。
通常是先设定一个或几个元件的值，再由式（3-2）~（3~4）建立方程组，求其图3-1幅频特性与Q的关系他元件值。
设定的元件参数越少，方程求解越难，但电路调整较方便，现在已经用计算机完成了方程组的求解，并将具有巴特沃斯响应、切比雪夫响应的n=2,3,…,8阶各种类型的有源滤波器的电路及所用的RC元件的值制成设计表，设计人员只需要查表九能得到滤波器的电路及RC元件的值，称这种查表法为有源滤波器的快速设计方法。
第四章设计原理与步骤
电路采用一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路级联接。
电路根据二阶滤波器设计表设计，采用压控电压源电路。
单元电路设计
4.1二阶低通滤波器设计
其电路原理图如下:
表<一>二阶低通滤波器（巴特沃斯响应）设计表
压控电压源（vcvs）电路无限增益多路反馈（MFB）电路
1.由表得f=2kHZ时，取C=0.01uF，对应的参数K=5.满足K=100/fC.的要求。
2.由表可知当Av=2时电容C1=C=0.01uF；K=1时，电阻R1=1.126K，R2=2.25K,R3=6.752K,R4=6.752K。
3.将上述电阻值乘以参数K=5,得：
R1=5.63K取标称值5.6K+0.03K
R2=11.25K取标称值11K+0.24K
R3=R4=33.76K取标称值33K+0.75K
4.2高通滤波器的设计
其原理图如下
电路元件值
设
计
表
Av
1
2
4
6
8
10
R1
1.422
1.126
0.824
0.617
0.521
0.462
R2
5.399
2.250
1.537
2.051
2.429
2.742
R3
开路
6.752
3.148
3.203
3.372
3.560
R4
0
6.752
9.444
16.012
23.602
32.038
C1
0.33C
C
2C
2C
2C
2C
*:
电阻为参数K=1时的值，单位为K。
1.由表得f=200HZ时，取C=0.1uF，对应的参数K=5.满足K=100/fC.的要求。
2.由表可知当Av=2时电容C1=C=0.1uF；K=1时，电阻R1=1.821K，R2=1.391K,R3=2.782K,R4=2.782K。
3.将上述电阻值乘以参数K=5,得：
R1=9.105K取标称值10K
R2=6.96K取标称值6.8K
R3=R4=13.71K取标称值13.7K
语音滤波器的工作原理图如下：
第五章测试验证
5.1测试上限频率
由上图可知，当上限频率为4KHZ>2KHZ时，其放大增益小于4，所以不符合设计要求。
5.2测试下限频率
同理可得，当下限频率为100HZ<200HZ时，其放大增益也小于4，也不符合设计要求。
根据测量的截止频率、幅频特性、衰减速率列下表
截止频率
fL
fH
测量值
210Hz
2kHz
理论值
200Hz
2kHz
幅频特性
输入信号
200Hz
640Hz
1kHz
2kHz
测量值
2.93
4.01
3.89
2.85
理论值
4.00
4.00
4.00
4.00
衰减速率
低频
高频
测量值
-27.5dB/10倍频
-29.4dB/10倍频
理论值
-40dB/10倍频
-40dB/10倍频
由上图和表可知，该电路的截止频率在200HZ与2KHZ之间，基本符合设计要求。
附录
一、EWB仿真
EWB仿真图形如下：
EWB仿真波形图如下：
二、Protel印制板图
在Protel中连接电路：
印制板图如下：
心得体会
通过这个实验，对设计有源滤波器的整个过程有了很好的掌握，通过对有
源滤波器的设计，熟悉了滤波器设计的一般原理，对滤波器有了一个感性的认识；学会了有源滤波器设计的一般步骤.在这几个星期中，自己从啥都不知道到后来把模板做出来。
现在想想还真是那样，事情是做出来的，总是一味的想或等待是永远得不到结果。
有些事情刚开始你不想去做也害怕去做，但是一旦有了压力让你不得不去做的时候，你会发现其实也不是很难只要你有心去做在做。
总之，使理论联系了实际，巩固并深化了对课本基本知识的认识和理解，使理论得以升华。
使用器材
元件清单：
电阻9.89K1个
5.65K1个
6.80K1个
11.2K1个
12.96K2个
33.70K2个
电容0.1uF2个
0.01uF2个
芯片741芯片2个
万能板1块
参考文献
[1]童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础.3版.北京:
高等教育出版社，2001
[2]李祥臣，卢留声主编.模拟电子技术基础教程.北京:
清华大学出版社，2005
[3]焦宝文主编.电子设计基础课程设计指南.北京:
清华大学出版社,1984
[4]电子电路设计.试验.测试.湖北:
华中科技大学出版社
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