二阶有源滤波器设计实验报告.docx

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二阶有源滤波器设计实验报告

二阶有源滤波器设计实验报告

二阶有源滤波器的设计

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摘要：

滤波器是一种选频电路，是一种能让需要频段的信号顺利通过，而对其它频段信号进行抑制（或大为衰减）的电路。

滤波器在通信技术、测量技术、控制系统等领域有着广泛的应用。

滤波器的分类很多，根据滤波器对信号频率选择通过的区域，可分为低通、高通、带通和带阻等四种滤波器；按使用的滤波元件不同，可分为LC滤波器、RC滤波器、RLC滤波器；按有无使用有源器件，分为有源滤波器和无源滤波器；按通带特征频率fo附近的频率特性曲线形状不同，常用的可分为巴特沃斯型滤波器和切比雪夫型滤波器；有源滤波器还分为一阶、二阶和高阶滤波器，阶数越高，滤波电路幅频特性过渡带内曲线越陡，形状越接近理想。

由有源器件（晶体管或集成运放）和电阻、电容构成的滤波器称为RC有源滤波器，这类滤波器的优点是：

通带内的信号不仅没有能量损耗、而且还可以放大，负载效应不明显，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。

缺点是由于受运算放大器的带宽限制，这类滤波器主要用于低频范围，目前有源滤波器的最高工作频率只能达到1MHz左右，并且需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。

本实验设计了RC有源低通、高通、带通滤波器，并利用利用EDA工具Multisim对实验进行仿真演示，列出了具体的分析与设计方法。

1仿真软件Multisim简介

EDA（就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写）技术已经在电子设计领域得到广泛应用。

发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。

一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。

EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。

EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。

美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim软件就是这方面很好的一个工具。

而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术（LABⅥEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。

学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。

并且可以用虚拟仪器技术创造出真正

图3仿真结果图

2.5仿真结果和设计指标的比较

通过仿真波形可以看出，截止频率为3.4kHz，基本符合设计指标，带内的增益为3.7dB，与设计指标有差异。

3二阶有源高通滤波器

3.1设计指标：

通带增益AUF=1.6；

品质因数Q=0.707；

截止频率fL=300Hz；

阻带衰减：

不小于︳-40dB/10oct|；

3.2仿真原理图

与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。

只要将图3低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，

图4仿真原理图

3.3电路器件参数计算

同相放大电路的电压增益即低通滤波器的电压增益

传递函数：

其中：

高通电路的下限频率

，要求

，取C1=C2=0.1uF

可求得：

R2=R5=5.31k,取5.1k取Q=0.707，则AVF=1.586取R4=47kR7=82k

3.4仿真波形

图5高通滤波器的仿真波形

从图5的仿真结果可以看出，截止频率在303Hz出，基本符合设计要求；通带增益为0.7，相比设计指标偏小。

4二阶有缘带通滤波器的设计

4.1设计指标

通带增益AUF=0；

中心频率：

fO=190kHz；

带宽:

50kHz；

阻带衰减：

不小于︳-40dB/10oct|

4.2仿真原理图

带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制，注意：

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。

图6仿真原理图

如图6所示的，由R2R3和运放构成的同相放大器的增益为K，K=1+R3/R2。

将此电路的转移函数与二阶带通函数比较，可得到一下关系。

品质因数Q来表示滤波器频率响应曲线的尖锐程度，可以用中心频率和带宽的比值度量。

H0为传递函数在中心频率处的幅值。

我们取中心频率为Fp=190k，通带宽度BW=50k，可以求得Q=5，使R2=R3，所以K=2，取H0=4。

取

=100pF，计算的R1=4.4k，R4=8k，R5=30k。

4.3仿真波形

图7仿真波形

从图7可以看出该带通滤波器的中心频率fo=190kHz，带宽为40kHz，通带增益为0.9dB与理论计算结果有一定差异。

5总结

通过设计和仿真，对于有源滤波器有了一定的了解，能够根据设计指标设计简单的原理图，并与计算结果相比较。

有源滤波器在锁相环电路中发挥着很重要的作用，这对于我以后的学习有很大的帮助。

在实验仿真中还有很多不足，需要在以后的学习中继续完善。