有源滤波器设计报告.docx

1、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

2、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41.1设计目的 41.2技术指标 41.3设计要求 4第二章 滤波器的传输函数与性能参数52.1 RC有源滤波器幅频特性 52.2 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83.1 滤波器性能参数的表达式

3、8第四章 设计原理与步骤94.1二阶低通滤波器设计 94.2 高通滤波器的设计 10第五章 测试验证 135.1测试上限频率 135.2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

4、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2.1 RC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

5、、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

6、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

7、-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

8、 ） （ 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c,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C、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）(34)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

9、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

10、.752K。3.将上述电阻值乘以参数K=5,得：R1=5.63K 取标称值5.6K+0.03KR2=11.25K 取标称值 11K+0.24KR3=R4=33.76K 取标称值33K+0.75K4.2 高通滤波器的设计其原理图如下电路元件值设 计表Av1246810R11.4221.1260.8240.6170.5210.462R25.3992.2501.5372.0512.4292.742R3开路6.7523.1483.2033.3723.560R406.7529.44416.01223.60232.038C10.33CC2C2C2C2C*:电阻为参数K=1时的值，单位为K。1.由表得f=2

11、00HZ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10KR2=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4KHZ2KHZ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100HZ200HZ时，其放大增益也

12、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fLfH测量值210Hz2kHz理论值200Hz2kHz幅频特性输入信号200Hz640Hz1kHz2kHz测量值2.934.013.892.85理论值4.004.004.004.00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

13、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 9.89K 1个 5.65K 1个 6.80K 1个 11.2K 1个12.96K 2个 33.70K 2个电容 0.1uF 2个 0.01uF 2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，20012 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，20053 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,19844 电子电路设计.试验.测试.湖北:华中科技大学出版社