模拟带通滤波器论文焦筱飞.docx

1、模拟带通滤波器论文焦筱飞编号： 数字信号处理综合设计实 训 (论文)说明书题 目： 数字信号处理综合设计 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013 年 07 月 09 日2012-2013（二）信息与通信学院课 程 设 计 任 务 书指导教师姓名学号姓名项目名称数字信号处理综合实训项目类型软、硬件设计与制作专业电子信息工程项目设计要求：1、主要技术要求:通过运放实现模拟带通滤波器要求：中心频率：f0=16KHZ品质因素：Q=1.6实现滤波器阶数至少二阶或者二阶以上。需频率函数图，至少要40个点及以上。软件指标要求：对任意给定指标能实现II

2、R数字低通、高通、带通、带阻滤波器。画出滤波器的时域波形和频域波形。2、参考资料（2-3篇）：1 王卫东.模拟电子电路基础，西安电子科技大学出版社，2003.2 王志刚，龚志星等.现代电子线路.北京：清华大学出版社，2003：3123143 王公望.现代电子电路应用基础.西安：西安电子科技大学出版社，2005：19254 杨拴科.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2003：2222235 刘慧颖.MATLAB R2007基础教程.北京：清华大学出版社，2008：2863226 王琦，高军锋等.MATLAB基础与应用实例集萃M.北京：人民邮电出版社,20077 罗建军，杨琦.MATLAB教

3、程M.北京：电子工业出版社，20073、完成形式：1、设计与制作可供实际检测的实物样机。2、完成课程设计报告。进度要求：（一阶段完成电路板，二阶段完成软件设计实现，三阶段撰写论文、四阶段验收。）2013年 7月 2 日：完成硬件电路设计、调试； 2013年 7月 5 日：完成软件设计实现； 2013年 7 月 9 日：撰写设计报告；2013年 7 月 10 日：统一进行实物验收和软件作品，上交课程设计报告（格式、内容必须符合）；项目验收方式：1、在规定的时间统一进行验收，验收时同时交设计报告。2、学生提供实物作品交验时要同时附上一份整理打印好的指标自测记录表；3、软件项目要上机运行检验，验收时

4、提供一份打印的操作与功能简要说明。主要器件：精密波形发生器ICL8038一片； 运算放大器OP07； 电阻、电容若干 。摘 要带通滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测

5、电路中。数字滤波器因其精度高、可靠性好、灵活性大等优点，在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR（有限长冲击响应）和FIR（无限长冲击响应）。作为强大的计算软件，MATLAB提供了编写图形用户界面的功能。所谓图形用户界面，简称为GUI,是由各种图形对象，如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。MATALB可以创建图形用户界面GUI，它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法，随着版本的提高，这

6、种能力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能，可以轻松的获得更高质量的曲线图。关键词：MATLAB；GUI；IIR滤波器；FIR滤波器；运算放大器；有源带通滤波器；AbstractThe function of the filter is to make certain frequency within the scope of the signal, and the frequency by outside the scope curbed the signal or sharp attenuation. When the disturbance signal and the useful s

7、ignal not in the same frequency range, can use filter to suppress the interference effectively. With LC network consisting of passive filter in the low frequency within the area, olume weight expensive and attenuation shortcomings, but with integrated op-amp and RC network consisting of active filte

8、r is more applicable to low frequency, in addition, it also has some of the gain, and because between the input and output has good isolation and facilitate cascade.Since most reflect the photoelectric signal has a physical information low frequency and amplitude small, vulnerable to interference, a

9、nd characteristics of the RC active filters widely applied electric light weak signal detection circuit. The hardware design is the UA741 to practice need function. Digital filter for its high accuracy, good reliability and flexibility big advantages in the speech signal processing, signal spectrum

10、estimation, signal de-noising, wireless communication frequency conversion and the digital image processing and other projects in practical application are very extensive. According to the characteristics of the function of shock response time can be divided into digital filter IIR (limited shock re

11、sponse) long and FIR (an infinite long shock response). As a powerful calculation software MATLAB graphical user interface provides write the function. The so-called the graphical user interface, referred to as the GUI, is composed of graphics object, such as graphic window menu button, the text fra

12、me construction such as the user interface. MATALB can create the graphical user interface GUI, it is between a user and the com-puter communication tool. MATLAB will support all GUl user controls are integrated in this environment and provide interface appearance, attributes and behaviors response

13、of the setting method, with the way of improving the ability of the version, will also be constantly strengthen. And has strong drawing function, can easily get a higher quality of the curve. Key words：Matlab; GUI; IIR filter; FIR filter; Operational amplifier; Active band-pass filter;目 录引言 11 滤波器介绍

14、及设计方案 21.1滤波器的结构及介绍 21.2 原理与总体方案 22、硬件设计 32.1 电路图 32.2 芯片OP07介绍 43 MultiSim仿真 53.1MultiSim电路图 53.2MultiSim仿真分析 54 制板注意事项及调试 64.1注意事项 64.2调试 74.3测试结果和幅频图分析 75 软件设计 85.1MATLAB GUI的简介 85.2IIR和FIR数字滤波器设计原理 95.2.1 IIR数字滤波器设计原理 95.2.2 FIR数字滤波器设计原理 95.3IIR和FIR滤波器设计思想 105.3.1 IIR滤波器设计思想 105.3.2 FIR滤波器设计思想 1

15、05.4基于Matlab GUI的数字滤波器设计思路及实现 115.4.1“滤波器设计软件”设计所实现任务 115.4.2“滤波器设计软件”回调函数编写 126 总结 15谢 辞 17参考文献 18附 录 19引言随着数字化进程的不断推进，数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。所有数字系统的前端，一般需要一个对微弱信号预处理的部分；在抽样量化之前，还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。这些都只能使用模拟滤波器。RC有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。其标准化电路的种类很少，仅使用及R、C元件，因此非常便于集成，这给推广

16、应用带来革命性影响。本文基于这一点介绍了常用RC有源滤波器的结构，以基于实现巴特沃斯逼近的带通波器设计为例，完成了其设计过程，并利用电子仿真软件MultiSim进行了仿真。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带（bandpass,允许通过的频带）如图0-1所示，同时限制限制所有通带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率的波。事实上，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率(roll-off)。滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以

17、便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。图0-1 理想的带通滤波器根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR（有限长冲击响应）和FIR（无限长冲击响应）。作为强大的计算软件，MATLAB提供了编写图形用户界面的功能。所谓图形用户界面，简称为GUI,是由各种图形对象，如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。MATALB可以创建图形用户界面GUI，它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。1 滤波器介

18、绍及设计方案1.1滤波器的结构及介绍通常用频率响应来描述滤波器的特性。对于滤波器的幅频响应，常把能够通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由(n-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波

19、器是高阶滤波器的基础。1.2 原理与总体方案工作原理：带通滤波器的作用是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。图1-1 二阶带通滤波器一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波电路相串联,可以构成带通滤波电路

20、，条件是低通滤波电路的截止角频率H大于高通滤波电路的截止角频率n，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。典型的带通滤波器（如图1-1）可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成，利用OP07芯片再将两个这样的滤波器串联即得四阶带通滤波器。其电路性能参数计算如下：通带增益 中心频率 通带宽度 选择性 而由题目给出 fh =1100HZ fL =900HZ 可得此fo =1000HZ B=200HZ在中心频率计算公式中自定义给出R1 、R2、C值，又中心频率已知，即可算出R3值；再在通带宽度公式中B、R1、R2、R3、C皆已知，即可得出Rf与R4比值。设计出电路，如硬件设计中电路图。 2、硬件设计

21、2.1 电路图图2-1 四阶带通滤波器如电路图各硬件参数与公式中对应关系：即可算f0=16000HZ,Q=1.6,图2-1是将两个二阶带通滤波器连接而成四阶带通滤波器。2.2 芯片OP07介绍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OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时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。特点：超低偏移： 150V

22、最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V/month最大高电源电压范围： 3V至22V图2-2 OP07引脚图主要参数：参数名称 测试条件 最小 典型 最大 单位 输入失调电压 U01.4V RS=0-0.060.150.25mV输入失调电流 -0.868nA输入偏置电流 -1.879nA大信号电压增益 VCC = 15, RL =2K120400-V/mV共模抑制比 Rs10k100120-dB3 MultiSim仿真3.1MultiSim电路图二阶带通滤波器的仿真电路图如图3-1所示：图3-1 仿真电路图3.2MultiSim仿真分析输入

23、中心频率为16KHZ时的输出波形分析结果图如图3-2所示：图3-2 在中心频率16KHZ时的输出波形当频率为11KHZ时的输出波形分析结果图如图3-3所示：图3-3频率为11KHZ时的输出波形当频率为21KHZ时的输出波形分析结果图如图3-4所示：图3-4频率为21KHZ时的输出波形4 制板注意事项及调试4.1注意事项（1）电阻的标称值应尽可能接近设计值，这可以适当选用几个电阻串并联；尽可能采用金属膜电阻电容及容差小于10%的电容，影响滤波器性能的主要因素是R/R、C/C及运放的功能。（2）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则根据设计表调整修正相应元器件的值。（3）制作板子过程中，为了节省材料

24、，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳的功能。所以板子元器件布局紧密。而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少。焊盘过孔设计合理。4.2调试对安装好的电路按一下方法进行调整和测试：（1）、仔细检查装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。由于该电路是用双电源来供电的，所以在接入电源的时候一定要小心才行，以免电源输入出错，导致芯片被烧坏，测试不错数据。（2）、在电路的输入端Vi=0.1V的正弦信号，慢慢改变输入的信号的频率，用示波器观察输出电压的变化。在滤波器的所要求的中心频率时，输出电压是否最大，假如不是最大，就慢慢调动R1和R2，使在输入16KHZ时幅度最大。假如是最大就测出幅度乘以0.707

25、，求得幅度值，最后调动信号源的频率旋钮，使幅度值达到最大值的0.707倍，观看上下截止频率，求得带宽是否是10KHZ，假如不是也要继续调动R1和R3，这样重重复复调使数值符合要求为止。（3）、观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计指标：中心频率f0=16khz，Q=1.6。输入信号Vi=0.1V，观察滤波器的下限截止频率fL及输出电压Vout。按要求理论测试结果应为：在相对低频时，如中心频率f0=16khz，输出电压V=0.13v；在下限截至频率fL=11.6khz时，输出电压V=0.092v,在上限截至频率fH=21.6KHZ

26、时，输出电影V=0.092v。（4）、最后调动信号源的频率旋钮，在中心频率往两边递减或递加测出20个点一个对应的幅度值，记录下来，总共要记录40个对应值，以前后面用来画出带通滤波器的幅频特性图。4.3测试结果和幅频图分析电路板调试完成之后测出该电路板的40个频率对应的输出电压幅度的点，并用软件画出40个点的频谱图。电路测试得到的输出电压和频率fVo关系表4.1：表4.1 输出电压和频率fVo关系 f/khz，Vo/mVf567891010.51111.51212.513Vo1015.222.833.446.662.672.683.092102.2109.2116f13.51414.51515.

27、51616.51717.51818.519Vo125.5126.2127.5129130130.3130128.5124.5123.5118.5111.5f19.52020.52121.321.52222.52323.52424.5Vo108.2102.89994.492.090.086.281.077.472.869.666.8f25262728293035404550Vo61.656.050.845.641.838.224.917.814.310.3它的幅频特性曲线为图4-1：图4-1 幅频特性曲线5 软件设计5.1MATLAB GUI的简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Labo

28、ratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。MATALB 可以创建图形用户界面

29、GUI(GraphicalUser Interface),它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。5.2IIR和FIR数字滤波器设计原理5.2.1 IIR数字滤波器设计原理滤波器的设计质上是寻找一个既能物理实现，又能满足给定频率特性指标要求的系统传输函数。IIR滤波器一般采用递归型的结构，系统的输入与输出服从N阶差分方程：相应的传输函数为：设计IIR数字滤波器就是要确定传输函数中的系数、或零极点增益、A，使滤波器的频率特性满足给定的性能指标要求。设计原理主要包括两个方面：一是根据设计指标，先设计出相应的模拟滤波器再通过脉冲响应不变法或双线性变换法转换成对应的数字滤波器；二是选择一种优准则。5.2.2 FIR数字滤波器设计原理根据数字滤波器冲激响应的时域特征,可将数字滤波器分为2种,即无限长冲激响应滤波器(IIR DF)和有限长冲激响应滤波器(FIR DF)。FIR DF具有突出的优点:系统总是稳定的、易于实现线性相位、