二阶高通有源滤波器.doc

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1、学 号 09700113模拟电子技术基础设计说明书设计二阶高通有源滤波器起止日期： 2011年12月24日 至 2011年12月31日学生姓名李炯班级09电信1班成绩指导教师(签字)电子与信息工程系2011年12月29日目录第一章 设计任务及要求- 2 -1.1、主要技术指标- 2 -1.2、设计内容及要求- 2 -第二章 滤波器基本理论- 3 -2.1、滤波器的有关参数- 3 -2.2、有源滤波和无源滤波- 3 -第三章 设计原理及方案- 5 -2.1、设计原理- 5 -2.2、设计方案- 6 -第四章 二阶高通滤波器电路仿真- 7 -4.1、参数选择- 7 -4.2、调试- 7 -第五章

2、参数设计及器件- 9 -5.1、参数计算- 9 -5.2、器件选择- 9 -第六章 设计心得体会- 10 -第一章 设计任务及要求1.1、主要技术指标工作电压：+12V、-12V；截止频率：20kHz；系统增益：0dB1.2、设计内容及要求1、根据课题，拟定设计方案，简述电路工作原理；2、根据技术指标，完成单元电路的设计计算，元器件合理选择，并用仿真软件绘制电路图；3、对调试过程中出现的问题应作分析，写出故障原因及如何排除；4、列出元器件明细表；写出设计心得体会。第二章 滤波器基本理论2.1、滤波器的有关参数实际滤波器的基本参数：理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间

3、应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。纹波幅度d：在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值相比，越小越好，一般应远小于-3dB。截止频率fc：幅频特性值等于0.707所对应的频率称为滤波器的截止频率。以为参考值，

4、0.707对应于-3dB点，即相对于衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。带宽B和品质因数Q值:上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数， Q=1/2（阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。滤波器的截止频率用来说明电路频率

5、特性指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。在高频端和低频端各有一个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。db的计算公式是20,x为信号某一个频率上真正的幅值。用滤波器去测试其截止频率，保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍。所测值为其截止频率。滤波器的带宽为两个截止频率之间的频率范围又称为通频带。2.2、有源滤波和无源滤波无源滤波器通常是用电阻，电容，电感这些无源器件构成的，无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感

6、、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。而有源滤波器常包含运放等要接外部电源才能工作的器件。通常有源滤波的效果较好。无源滤波器：集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。

7、有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源。一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80，对基波的无功补偿也是一定的。目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。有源滤波器

8、与无源滤波器相比，有以下特点：1、不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；2、滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；3、具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。第三章 设计原理及方案2.1、设计原理二阶高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。高通滤波器有综合滤波功能，它可以滤掉若干次高次谐波，并可减少滤波回路数。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。其在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。本设计为使用压控电压源方法设计二阶高通滤

9、波器。(a) 电路图(b) 对数幅频特性图3.1 二阶高通有源滤波器2.2、设计方案图3.1是一个二阶高通有源滤波器。(a)中虚线部分是一个无源二阶高通滤波器电路，为了提高它的滤波性能和带负载的能力，将该无源网络接入由运放组成的放大电路，组成二阶有源RC高通滤波器。二阶高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。由图可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。通带增益： 截止频率：品质因数：电路电压放大倍数：第四章 二阶高通滤波器电路仿真4.1、参数选择其中在放大器处加入+12V，-12V的直流稳压电源，R=1.66 k C=1uF 4.2、调试电

10、路连接好后，我们需要函数发生器、示波器、万用表各一个，一个能产生+12V，-12V的直流稳压并联接地电源，及两个交流毫伏表，我们需要函数发生器产生022KHz，幅值为1V的信号。输出Ui接函数发生器，输出U0接示波器，直流稳压电源的+12V接741的7引脚，-12V接4引脚，交流表1接输出信号U0，交流毫伏表2接输入信号Ui（因为当改变输入信号频率时，由于函数发生器和滤波器组成的电路的阻抗和容抗等会发生变化，输出Ui的幅值也会相应的发生微小的变化，通过调节函数发生器的幅值，确保Ui的大小保持不变）。仿真电路如图4.1所示。注意：在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路

11、，且不能带电操作。图4.1 二阶有源高通仿真电路4.3、调试结果当输入信号f200Hz时，滤波器输出幅值为0;当输入信号200Hzf40kHz时，滤波器输出趋于最大值1V，如图4.4.即滤波器电路实现截止频率fL=20kHz的高通滤波器。如图4.3.用波特图显示幅频响应表示为下图：图4.2 幅频特性 图4.3 输出端波形 4.4 输出电压由调试结果知道，实际fL=20kHz，由于我们选择R=R=8 k，导致=1.1465。第五章 参数设计及器件5.1、参数计算电容器C的容量应在微法数量级上，电阻的阻值应在几百千欧以内。现选择电容大小C1=C2=1nF，则根据公式可得：R=R=1/（2*C）=1

12、/(2*3.14*20000*0.000000001)=8k，选择电阻8 k (因为实际元件测出C1、C2并不是完全为1nF，可能是0.978nF和0.969nF)这与计算值有一点误差，所以，可能导致截止频率比20kHz稍有偏差。所以选择：R=R=8 k，C1=C2=1nF，Rf =2 k，R1=13.65 k，则：=1+Rf /R1=1.1465（符合3,能稳定工作）。5.2、器件选择器件：1、741芯片 一块 2、面包板SYB-120 一块3、导线 若干 4、函数发生器 一台5、示波器 一台 6、直流稳压电源 一台7、交流毫伏表 两台8、电阻 四个9、电容 两个(实际实验时采用的仿真软件，

13、Multisim10)第六章 设计心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程. 回顾起此次模电课程设计，我仍感慨颇多。从选题到定稿，从理论到实践，在接近一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法、仿真软件的使用掌握得不好通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。