二阶带通滤波器理论设计.docx
《二阶带通滤波器理论设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二阶带通滤波器理论设计.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
二阶带通滤波器理论设计
摘要………………………………………………………..2
引言······························································3
1.设计任务及要求··············································3
2.方案选择·····················································3
3.二阶带通滤波器理论设计································……4
3.1简介····························································4
3.2工作原理························································4
3.3传递函数及性能参数··············································5
3.4器件参数的选取··················································6
3.5Multisim仿真及仿真数据处理·····································6
4.1电路板制作··················································9
5.电路板的调试···············································10
5.1调试的仪器·····················································10
5.2调试过程及结果················································10
5.3调试所遇到的问题···············································13
5.4调试误差分析···················································13
6.结论·························································13
谢辞······························································15
参考文献·························································16
附录······················································17
摘要
在学习《模拟电子技术基础》的基础上，针对课程设计要求，设计一个通带为0.833KHz、中心频率为1KHz、品质因素为6、最大增益为2的带通滤波器，，计算出该方案需要的电阻、电容、运算放大器参数，通过Multisim软件仿真和电路板的制作，对所选的方案进行调试，验证方案的正确性，并将实际设计的滤波器与仿真得到的滤波器进行比较，分析误差产生的原因。
关键字：
带通；滤波器；快速设计法；Multisim仿真；调试；分析误差
引言
本论文主要讨论信号的处理电路，其中一种电路称为模拟滤波器，模拟滤波器的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，本文主要研究由电阻、电容和运算放大器组成的有源带通滤波电路，其原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来，把通带外的信号去除。
本论文介绍了使用查表归一快速设计有源滤波器的方法设计二阶有源带通滤波器的详细步骤，并对设计过程中所要处理的数据及图像进行详细地列举、分析。
1.设计任务及要求
1）设计一个模拟带通滤波器；
2）参数自定；
3）调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性；
2.方案选择
滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或者抑制。
这些网络可以由RLC元件或RC元件构成无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件（如集成运放）构成有源滤波器。
由集成运放、R、C组成的有源滤波有不用电感、体积小、重量轻的特点，此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用，本因此次实验选择有源滤波器。
一个理想的滤波器应在要求的通带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。
然而实际的带通滤波器距此有一定的差距，为此采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。
常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应，在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好，在给定带内所允许的纹波差，则用切比雪夫响应比较好。
为了获得比较稳定的信号，选择具有巴特沃斯响应的二阶RC有源滤波器设计方案。
具有巴特沃斯响应的二阶RC带通滤波器的常用电路有电压控制电压源电路和无限增益多路反馈电路。
电压控制电压源电路中的运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路，其优点是电路性能稳定，增益易调。
而无限增益多路反馈电路的中的运放为反相输入，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路，故称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，但增益调节对其性能参数会有影响。
为了使所设计的滤波器具有较好的增益可调性，选择电压控制电压源电路。
经过以上多方面的分析、比较，选出的方案为：
设计一个具有巴特沃斯响应的二阶RC有源带通滤波电路：
电压控制电压源电路，采用最基本的二阶滤波器快速的设计方法：
查表归一快速设计有源滤波器的设计方法。
二阶带通滤波器
]最简单的带通滤波器称之为"二阶带通滤波器"，它的的特性用二阶线性微分方程表示，方程的左边与一般二阶系统的标准形式完全相同，而右边是激励源的导数项。
如果激励源通过一个电阻R、电感L及电容C构成一个串联回路，并以电阻两端的电压作为响应，就构成了一个以二阶微分方程描述的“二阶带通滤波器”，它的幅频响应在零频率处及其附近以及较高的频率（f>>f2）处均等于或接近于零。
从零频率起，随着频率的增加，这个系统的幅频响应逐渐平滑地增加到趋近于1，然后开始平滑地衰减为零。
也就是说，较低或较高的频率通过该系统时，没有或几乎没有什么输出，而对于从f1到f2的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减。
实际上，对于极低或极高的频率而言，电容C和电感L分别相当于“开路”一样，电路中的电流甚微，也就没有什么输出了。
只有大于f1而小于f2的这些频率，基本上都可以在电阻两端获得输出。
换言之，这个系统适宜于通过指定的一段频率范围而对于较低和较高的频率成分均有较大的阻碍作用，这个回路构成了一个“二阶带通滤波器”，是“带通滤波器”的最简形式
3.2工作原理
模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来，把通带外的信号去除。
原理图3.2
原理图3.2所示电路为二阶带通滤波电路，图中R1、C1组成低通网络，R3、C3组成高通网络，两者串联就组成了无源带通滤波电路，图中在带通电路的输出端再加上一个电压跟随器，使之与负载很好的隔离开，三者构成了一个简单的二阶有源带通滤波电路，由于电压跟随器的输入阻抗很高、输出阻抗很低、并且有电压放大功能的特性，将其改为同相比例放大电路如原理图3.2中所示的接法即可实现对滤出的信号的电压进行放大，通过改变R1、C1、R3、C2的值，可以调整带通滤波电路的中心频率，通过改变R4、R5的值可以调整带通滤波电路的品质因素、增益和带宽。
原理图3.2所示电路有：
电路简单，元件参数少，电路稳定性好，增益可调等特点。
3.3传递函数及性能参数
1）传递函数：
原理图3.2所示带通滤波器的传递函数推导过程如下所述：
设流过R1的电流为I（S）,流过C1的电流为I1（S）,流过C2的电流为I2（S）,流过R2的电流为I3（S）,C1=C2=C,
2）性能指标：
Av——fo处的电压增益
wo——带通滤波器的中心角频率
Q——品质因素
BW——带通滤波器的带宽
以上几个性能指标的计算公式分别为：
3.4器件参数的选取
本次带通滤波器设计方案是：
二阶带通滤波器，故所需要的元件有电阻、电容、集成运放。
首先，设定带通滤波器的性能参数：
1）中心频率为：
fo=1KHz；
2）中心频率对应的最大增益为:
Av=2；
3）品质因素为:
Q=10。
其次，根据中心频率选择电容，由参考资料《基础电子电路设计与实践》4.5节RC有源滤波器的设计的表4.5.1的内容，因为中心频率在1KHz至10KHz的范围内，因此选择电容值为C=0.01uF的电容。
再次，根据所选的实际电容值以及公式K=100/（fo*C）（其中fo的单位为Hz；C1的单位为μF）计算出电阻换标系数K的大小，通过计算，K=2。
再由参考资料《基础电子电路设计与实践》中的表4.5.5二阶带通滤波器（巴特沃斯响应）设计表、滤波器参数和电阻换标系数，选择电阻，如原理图3.2所示，R1=19.0KΩ，R2=2.388KΩ，R3=4.774KΩ，R4=R5=9.548KΩ,由于实际的电阻没有理论需要的那么精确，为了使实际参数与理论参数尽量接近，所以所选的电阻均为精调滑动变阻器，R1的量程为100KΩ,R2至R5的量程为10KΩ。
最后，选择的集成运算放大器为op07。
op07的功能介绍为：
op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，由于其具有非常低的输入失调电压（对于op07A最大为+2uV），所以op07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
同时它具有输入偏置电流低（op07A为+2nA）和开环增益高（对于op07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得op07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
综合考虑op07芯片的各方面特性，其正好符合有源带通滤波电路所需要的功能，故选择它作为电路中的同相比例放大电路。
3.5Multisim仿真及仿真数据处理
1）仿真电路图如下所示
仿真电路图3.4
2）滤波器性能指标及元件参数的设定如下所示:
性能指标及元件参数表3.4.1
fo
1KHz
R1
19K
K
2
R2
2.388K
Av
2
R3
4.774K
Q
10
R4
9.548K
BW
0.833KHz
R5
9.548K
C
0.01uF
fo：
中心频率，K：
电阻换标系数，Av：
中心频率处增益，
Q:
品质因素，BW:
滤波器带宽，Vi：
输入信号峰峰值，
fi:
输入信号频率，Vo：
输出信号峰峰值
3）仿真数据处理如下所示：
仿真数据表3.4.2
fi/KHz
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.2
Vo/V
0.069
0.11
0.16
0.225
0.318
0.367
fi/KHz
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
Vo/V
0.425
0.508
0.61
0.749
0.934
1.222
fi/KHz
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
5.6
Vo/V
1.596
1.94
1.92
1.593
1.268
1.029
fi/KHz
5.8
6.0
6.2
6.4
6.5
6.6
Vo/V
0.86
0.736
0.645
0.574
0.544
0.518
fi/KHz
7.0
7.4
8.0
8.6
9.0
9.5
Vo/V
0.435
0.376
0.314
0.272
0.25
0.227
fi/KHz
12.0
17.0
20.0
Vo/V
0.158
0.101
0.084
仿真数据表3.4.2对应的散点图如下所示：
仿真Vo与fi的关系图3.4
仿真Vo与fi的关系图3.4表明，仿真的电路性能参数与理论设计的电路性能基本相符。
4．实验作品
5.1调试的仪器
1）直流电压源；
2）信号发生器；
3）双踪示波器；
4）万用表；
5.2调试过程及结果
1）将万用表调节到电阻档，测出焊接好的电路板上的滑动变阻器阻值，并将其调节使其阻值与原理图上的阻值对应。
2）按照Multisim仿真电路所示的仿真电路图3.4，将电路板与各个调试仪器分别连接上，信号发生器与滤波电路的信号输入端相连，信号输出端、信号发生器的输出端分别与模拟示波器的两个通道相连，将直流电源与电路板上的+12V及-12V处对应相连，注意仪器与电路板的共地。
3）按照Muitisim仿真过程中输入信号参数的设定情况，设定信号发生器的信号参数，首先给带通滤波电路输入vpp为1V，频率为1KHz的信号，调节示波器上显示的信号波形使之稳定，并在示波器上读出对应的输出信号电压并将其记录下来，按照该步骤，依次记录下当输入表一中各个频率分量时对应的输出信号的电压峰峰值。
从多次调试所得的数据中选出比较波形比较稳定的一组，并制作成如下表格：
4）实验数据及绘制的散点图如下所示：
实验参数表5.2.1
fo
6.7KHz
R1
19K
K
2
R2
2.4K
Av
1
R3
4.8K
Q
4.2
R4
9.5K
BW
1.6
R5
9.5K
C
0.01uF
fo：
中心频率，K：
电阻换标系数，Av：
中心频率处增益，
Q:
品质因素，BW:
滤波器带宽，Vi：
输入信号峰峰值，
fi:
输入信号频率，Vo：
输出信号峰峰值。
实验数据表5.2.2
fi/KHz
1
1.5
2
2.5
3
3.2
Vo/V
0.055
0.081
0.11
0.15
0.186
0.205
fi/KHz
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
Vo/V
0.223
0.243
0.286
0.291
0.321
0.367
fi/KHz
4.6
4.8
5
5.2
5.4
5.6
Vo/V
0.401
0.445
0.494
0.464
0.62
0.69
fi/KHz
5.8
6
6.2
6.4
6.5
6.6
Vo/V
0.772
0.825
0.924
0.98
1
1
fi/KHz
6.8
7
7.2
7.4
7.6
7.8
Vo/V
1
1
0.978
0.938
0.906
0.866
fi/KHz
8
8.3
8.6
8.9
9.2
9.5
Vo/V
0.816
0.764
0.685
0.63
0.578
0.55
fi/KHz
10
10.3
10.6
11
12
13
Vo/V
0.469
0.442
0.418
0.388
0.325
0.284
fi/KHz
14
15
16
17
20
30
Vo/V
0.251
0.217
0.201
0.184
0.15
0.091
实验Vo与fi的关系图5.2
5.3调试所遇到的问题
本次课程设计过程中，总共做了两块电路板，做第一块PCB板的调试过程中由于所有电阻都用定值电阻，并且实际的定值电阻阻值没有理论的那么精确，只是与理论电阻近似而已，因此造成调试出来的滤波器性能参数与理论设计的滤波器有较大差别，差别表现在中心频率发生了偏移，增益、带宽和品质因素均产生较大误差，输出波形不太稳定。
在第一块PCB板调试结束并对调试结果进行分析之后，把PCB图中定值电阻的封装改成滑动变阻器的封装，进行第二块PCB板的制作和调试，调试过程中滑动变阻器的阻值会因为板子的挪动而发生变化，并且在每一次调试之前，必须将每一个滑动变阻器的阻值进行测量和调整，滑动变阻器的阻值要在断电的情况下进行测量，否则会导致测量结果产生偏差。
5.4调试误差分析
由调试结果：
实验参数表5.2.1、实验数据表5.2.2、实验Vo与fi的关系图5.2与仿真的结果：
性能指标及元件参数表3.4.1、仿真数据表3.4.2、仿真Vo与fi的关系图3.4相比较，可以分析出，实际设计的模拟带通滤波器的性能参数与理论设计的带通滤波器之间仍存在一定差别，原因可能在于：
1）实际元件参数本身存在一定误差，达不到理论值的要求；
2）电路元件（如电容）参数容易受外界环境的影响；
3）制作好的实际滤波电路板上存在的寄生电容、寄生电感对板子的正常工作产生影响；
4）输入信号中不仅仅只包含信号发生器输出的信号，还包括外界的干扰信号。
5）测量所用的仪器（如信号发生器、示波器）由于使用时间久，存在一定的误差，导致测量结果存在一定的偏差。
6．结论
在课成设计的初期，首先对本次课设的题目进行仔细分析和阅读，弄懂设计任务及要求。
接下来开始查找有关带通滤波器的资料，对带通滤波器的概念进行系统的了解，对其工作原理进行理论分析，对几种有源带通滤波器的设计方法进行分析、比较，最终选择出一种比较合理的方案，根据该方案的电路图选择元器件的参数，用仿真软件Multisim进行仿真，经过仿真软件验证后，制作PCB板，最后进行调试，调试过程中出现了一些。
从本次模拟带通滤波器的设计过程中，我学会对实际设计出的模拟带通滤波器的性能进行分析，并理解了模拟滤波器的存在缺点，由于模拟滤波器的中心频率对电路元件（如电容，电阻）的参数十分敏感，较难设计出合适的参数，而且电路元件的参数会随外界环境的干扰发生变化，这会导致中心频率的偏移，影响滤波结果的准确性。
在整个课程设计过程中，我学到了很多知识，动手能力得到了一定的提高，并掌握了带通滤波器的设计流程。
在将来的电子电路学习课程中，我将更加努力提高自己查找学习资料、分析问题及解决问题的能力，争取今后得到更好的提高。
谢辞
在老师和同学的帮助下，我顺利完成了课程设计的设计任务，感谢老师给予我的耐心指导，感谢各位同学在本次课程设计过程中给予我的热心帮助，感谢老师给我提供了完备的调试仪器。
在此，由衷地感谢你们，谢谢
参考文献
[1]康华光主编.模拟电子技术基础.第五版，北京：
高等教育出版社.2005
[2]李瀚荪主编.电路分析基础.第三版，上、中、下册，北京：
高等教育出版社.1993
[3]戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.北京：
国防工业出版社2002
附录
原理图
压控电压源二阶带通滤波器
无限增益多路反馈二阶带通滤波器
实验用元器件
TL084（1个）
精密可调电阻（100k）（5个）
精密可调电阻（200k）（1个）
精密可调电阻（500k）（1个）
色环电阻，瓷片电容，导线，排针，万用板，焊锡等（若干）
绿色长脚电容（1uf/50v）（3个）
绿色长脚电容（10uf）（3个）
精密可调电阻（2k）（3个）
绿色长脚电容（1uf）（3个）
升级会员 