二阶高通滤波器实施方案.docx

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1、模拟电路课程设计任务书20 10 -20 11学年第2学期第1周一 2周题目二阶高通滤波器地设计内容及要求 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路； 截止频率fc=100Hz 增益Av=5进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：2天；2. 领元器件、焊接、制作：3天3. 调试：2天4. 验收：0.5天5. 提交报告：本学期37周学生姓名：指导时间:第12周指导地点:E楼601室任务下达20 11年2月21日任务完成2011年3月2日考核方式1.评阅匚12.答辩匚13.实际操作口 V4.其它口V指导教师系（部）主任摘要二阶高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）

2、频率低于截止频率 信号通过地滤波器.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，每个频率地信号地减弱程度不同.其 在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器.本设计为分别使用压控电 压源和无限增益多路反馈两种方法设计二阶高通滤波器.二者电路都是基于芯片 LM324设计而成.将信号源接入电路板后，调整函数信号发生器地频率，通过观 察示波器可以看到信号放大了 5倍.现在工厂对于谐波地治理，应用最多地仍然是 高压无源滤波器，高压无源滤波器有多种接线方式，其中单调谐滤波器及二阶高通 滤波器使用最为广泛，无源滤波器具有结构简单、设备投资较少、运行可靠

3、性较 高、运行费用较低等优点,b5E2R。关键字：高通滤波器；二阶；有源；目录第 一 章设 计 内容5DXDiT。1.1 设计任务和要求5rt1.2 设计目地55PCZV。第 二 章滤 波 器 地 基本理论6jLBHr。2.1 滤 波 器 地 有 关 参数HAQXMBMaHAQX o2.2 有 源 滤 波 和 无 源 滤波7LDAYto2.3 巴特沃斯响应8zzz6Zo第三章 滤波系统中高通滤波器模块设 计11jfluvziv O3.1 压 控 电 压 源 二 阶 高 通 滤 波 电路11.13.2 无限增益多路反馈高通滤波电路12e.EmAVA O第 四 章 二阶高通滤波器 电路仿真13si

4、xE2。第五章系统调试l66ewMy。第六章结论17&vU4。5.2 对 本 设 计 优 缺 点 地 分析17/V3Amy6V3A。5.1结论结论与心得17附录一LM324引脚图18M2ub6。附录二元件清单19oYujC。附录三参考文献20皿展第一章设计内容1.1设计任务和要求1. 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路;2. 截止频率fc=100Hz3. 增益 AV = 5；1.2设计目地1. 了解滤波器地工作特点2. 掌握电子系统地一般设计方法3 .掌握常用元器件地识别和测试4. 培养综合应用所学知识来指导实践地能力5 .熟悉常用仪表，了解电路调试地基本方法6. 进一步提高自

5、己地动手实践能力7. 掌握专业课程设计报告地格式及流程第二章滤波器地基本理论2.1滤波器地有关参数实际滤波器地基本参数：理想滤波器是不存在地，在实际滤波器地幅 频特性图中，通带和阻带之间应没有严格地界限.在通带和阻带之间存在一 个过渡带.在过渡带内地频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度地衰 减.当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外地频率成分衰减得越 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0sAE sqs.e.理想滤波器地特性只需用截止频率描述，而实际滤波器地特性曲线无明显地转折点，两截止频率之间地幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述.GJ

6、MMGMSiaB纹波幅度d：在一定频率范围内，实际滤波器地幅频特性可能呈波纹变 化，其波动幅度d与幅频特性地平均值A0相比，越小越好，一般应远小于 -3dB. TlrRG截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应地频率称为滤波器地截 止频率.以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于 A0衰减3dB. 若以信号地幅值平方表示信号功率，则所对应地点正好是半功率点.7EqZ.7Eqzc.带宽B和品质因数Q值:上下两截止频率之间地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地 能力一一频率分辨力.在电工学中，通常用Q代表谐振回路地

7、品质因数.在二 阶振荡环节中，Q值相当于谐振点地幅值增益系数，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 器地品质因数Q.例如一个中心频率为500Hz地滤波器，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.lzq7I|倍频程选择性W:在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过 渡带地幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减地快慢，它决定着滤波器对 带宽外频率成分衰阻地能力.通常用倍频程选择性来表征.所谓倍频程选择 性，是指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之 间幅频特性地衰

8、减值，即频率变化一个倍频程时地衰减量或倍频程衰减量 以dB/oct表示（octave，倍频程）.显然，衰减越快（即 W值越大），滤波 器地选择性越好.对于远离截止频率地衰减率也可用10倍频程衰减数表示之.即dB / 10oct .zvpge滤波器因数（或矩形系数）：滤波器因数是滤波器选择性地另一种表示方 式，它是利用滤波器幅频特性地-60dB带宽与-3dB带宽地比值来衡量滤波器选择性，理想滤波器 =1，常用滤波器=1 - 5，显然，越接近于1， 滤波器选择性越好.？ 滤波器地截止频率用来说明电路频率特性指标地特殊频率.当保持电路输 入信号地幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值地0.707倍，

9、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地计算公式是20*log10(x),x为信号某一个频率上真 正地幅值.用滤波器去测试其截止频率，保持电路输入信号地幅度不变，改变 频率使输出信号降至最大值地0.707倍.所测值为其截止频率.滤波器地带宽为两 个截止频率之间地频率范围又称为通频带.i.f MBHMMBHnHmMHBMBmMBHMnUWl o2.2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地，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、体

10、积小、重量轻等优点.集成运放地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地电压放大和缓冲作用.但 集成运放带宽有限，所以目前地有源滤波电路地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地器件.通常有源滤波地效果较 好.fjnFLo无源滤波器：集成运放地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地电压放大和缓冲作用.但集成运放带宽有限，所 以目前地有源滤波电路地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，在检测到系统谐波地同时产生一组和系统幅值相等，相位相反 地谐波向量，这样可以抵消掉系统

11、谐波，使其成为正弦波形.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，所以当前常见地有源滤波容量不超过600kvar.其运行可靠性也不 及无源.tfnNho一般无源滤波指通过电感和电容地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 波地优点为成本低，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%，对基波地无功补偿也是一定地.HVN目前在容量大且要求补偿细致地地方一般使用有源加无源

12、混合型，即无源进行大 容量地滤波补偿，有源进行微调.有源滤波器与无源滤波器相比，有以下特点：a. 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能地特点， 在性价比上较为合理；b. 滤波特性不受系统阻抗等地影响，可消除与系统阻抗发生谐振地危险；c. 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着地谐波，即具有高度可控性和 快速响应性等特点.2.3巴特沃斯响应什么是巴特沃斯响应？有什么特点，还有其他响应类型地滤波器吗？(1)巴特沃斯滤波器是电子滤波器地一种.巴特沃斯滤波器地特点是通 频带地频率响应曲线最平滑.这种滤波器最先由英国工程师斯替芬巴特沃 斯(Stephen Butterworth )在19

13、30年发表在英国无线电工程期刊地一篇 论文中提出地.巴特沃斯滤波器地特性IV7l4JI巴特沃斯滤波器地特点是通频带内地频率响应曲线最大限度平坦，没 有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零.在振幅地对数对角频率地波得图上， 从某一边界角频率开始，振幅随着角频率地增加而逐步减少，趋向负无穷 大.83垃|一阶巴特沃斯滤波器地衰减率为每倍频 6分贝，每十倍频20分贝.二阶 巴特沃斯滤波器地衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器地衰减 率为每倍频18分贝、如此类推.巴特沃斯滤波器地振幅对角频率单调下降， 并且也是唯一地无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样地形状地滤波器.只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰

14、减速度越快.其他滤波器高阶地振 幅对角频率图和低级数地振幅对角频率有不同地形状.巴特沃斯滤波器地特 点是在通带以内幅频曲线地幅度最平坦，由通带到阻带衰减陡度较缓，截 止频率以后地衰减速率为6MDB/倍频程，相频特性是非线性地.对阶跃信号 有过冲和振铃现象.巴特沃斯滤波器是一种通用型滤波器，又称为最平幅度 滤波器.n阶巴特沃斯低通滤波器地振幅和频率关系可用如下地公式表示Gh（9）=+（3蚀）从幅频特性提出要求，而不考虑相频特性.巴特沃斯滤波器具有最大平 坦幅度特性.切比雪夫滤波器.比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器地衰减快，但频率响应地幅 频特性不如后者平坦.切比雪夫滤波器和理想滤波器地频率响

15、应曲线之间地 误差最小，但是在通频带内存在幅度波动.是决定通带波纹大小地系数， 波纹地产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件.AVktR| IlBHHHHHBBHIHRBIflBlHHIlBIHBIIHflHBMHlMHHHIHt与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样地n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况.值越小，通带起 伏越小，截止频率点衰减地分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓 慢.切贝雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器进行比较，切贝雪夫滤波器地通带有 波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波地情况下，巴特沃斯 型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型要优于切贝

16、雪夫型，通过上面二 图比较可以看出，前者地相频响应更接近于直线.ORjBn|贝塞尔滤波器电子学和信号处理中，贝赛尔（Bessel）滤波器是具有最大平坦地群延迟（线 性相位响应）地线性过滤器.贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中.模拟贝 赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带地恒定地群延迟，因而在通频带上保持了被过滤地信号波形.滤波器地名字来自于Friedrich贝赛尔，一位德 国数学家（1784 - 1846 ），他发展了滤波器地数学理论基础.贝塞尔(Bessel)滤波器具有最平坦地幅度和相位相应.带通(通常为用 户关注区域)地相位响应近乎呈线性.Bessel滤波器可用于减少所有IIR滤 波器固有地非

17、线性相位失真.贝塞尔(Bessel)线性相位滤波器正是由于具有向其截止频率以下地所 有频率提供等量延时地特性，才被用于音频设备中，在音频设备中，必须 在不损害频带内多信号地相位关系前提下，消除带外噪声.另外，贝塞尔滤 波器地阶跃响应很快，并且没有过冲或振铃，这使它在作为音频DAC输出端地平滑滤波器，或音频ADC输入端地抗混叠滤波器方面，是一种出色地 选择.贝塞尔滤波器还可用于分析D类放大器地输出，以及消除其它应用中 地开关噪声，来提高失真测量和示波器波形测量地精确度.虽然贝塞尔滤 波器在它地通频带内 提供平坦地幅度和线 性相位 (即一致地群延时)响应，但它地选择性比同阶(或极数)地巴特沃斯(B

18、utterworth)滤波器或切比雪夫(Chebyshev)滤波器要差.因此，为了达到 特定地阻带衰减水平，需要设计更高阶地贝塞尔滤波器，从而它又需要仔 细选择放大器和元件来达到最低地噪声和失真度.5第三章 滤波系统中高通滤波器模块设计3.1压控电压源二阶高通滤波电路1、方案一、用压控电压源设计二阶高通滤波电路与LPF有对偶性，将LPF地电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路采用压控电压源二阶高通滤波电路.电路如图3-1所示，参数计算为：41 , RAup = 1 + -R3Aup表示二阶高通滤波器地通带电压放大倍数 截止频率：通带增益:品质因数:f =-

19、0 2 冗 RCQ = 1 -3 - Aup图3-1压控电压源二阶高通滤波电路A =-臭=5 fc =.1=100HzuC32兀 R R2 C C2令 R3=1KKQ解得R4=4 KQ R1=R2=16 KQC=0.1 uf3.2无限增益多路反馈高通滤波电路2、方案二用无限增益多路反馈设计高通滤波电路.电路如图2-2所示，其中：s =-，通带增益：A = L suo C3截止频率：fc =2%R2 C3 C2品质因数:Q = (C1 + C 2 + C 3):R1： C2C3R2图2-2、无限增益多路反馈高通滤波电路A = - Ci =5fc =. 1-=100HzuC32兀 Y R R2 C

20、 C2令 R1=1KKQ解得C1=0.05ufc2=0.01ufR2=1.2 KQ第四章二阶高通滤波器电路仿真二阶高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似，当Q0.707或Q0.707 时，通带边沿处会出现不平坦现象.有关根据品质因数Q计算电路电阻参数R1和 R2地方法与二阶低通滤波器地计算相同.f为了改进一阶高通滤波器地频率特性，可采用二阶高通滤波器.一个二阶高 通滤波器包含两个RC支路，即将二阶高通滤波器地R与C对换位置，即可构成 二阶高通滤波器. 如图3-1所示为二阶高通滤波器地幅频特性曲线，其阻带衰减特性地斜率为40dB/ 10oct，克服了 一阶高通滤波器阻带衰减太慢地缺图4-1二阶

21、高通滤波器地幅频特性曲线与二阶低通滤波器类似，二阶高通滤波器地各个参数也影响其滤波特性，如： 阻尼系数f地大小决定了幅频特性有无峰值，或谐振峰地高低.若要求高通滤波 器地阻带特性下降速率大于40dB/10oct，必须采用高阶高通滤波器，同高阶低 通滤波器一样，也是最常采用巴特沃思型和切比雪夫型近似，同样也是先查表， 得到分母多项式，图3-1阶高通滤波器幅频特性PgdO0。二阶高通滤波器地参数设计，由增益Av=5, Av=1+Rf/R1,所以选R3=1.6K欧 姆地电阻，fc=100Hz,fc=1/2RC，则选用C=0.01uf地电容，R4为1.6K欧姆地电 阻，R2为4K欧姆地电阻，由于没有该

22、种类地电阻，则用两个2K欧姆地电阻替 代，集成块用KIA741.二阶高通滤波器电路地电路仿真.3那海毋示波器-XSCS3矽示波器-XSCWI-1卜 SS 哗aa时间2.142 s通道#-8.792V通道_BT2-T1反向保存Ext, TriggerT1 SS2.口 as2.T2T10.时间轴比例 2 ms/DivX位置通道A比例5 V/DivV位置|ac|cT|dc通道B 比例5 g Y位置 |ac|T|dc-触发边沿 Z国EEl【外部1电平类型匡斐匿圈1虱国图 4-3压控电压源二阶高通滤器波形时间比例 |Zms/t)ivX位置阮加载前调试工具：万用表、示波器，函数信号发生器第五章系统调试1.

23、 输出电压地测量输入信号Ui=100、4mv，改变频率测输出电压，并且在通频带时地频率要取得密集一些，记录到表格5-1二阶高通滤波器地数据频率f/Hz2060809095100110输出电压Uo/mv14、8790、0119、5131、4136、5141、2148、6频率f/Hz2005008001K20K50K100K输出电压Uo/mv183、4197、7199、5200、1202、4201.7201.0表5-1二阶高通滤波器地数据2. 数据处理与误差计算在频率为高频时，U=（201、0+201、7+202、4）/3=201、7 mv输入电压 Ui=100、4，则 Av=U/Ui=201、7

24、/100、4=2、01相对误差：s=（2、01-2）/2*100%=0、5%当 fp=100Hz 时，Uo 理论二U*0、707=201、7*0、707=142、6mv实验测得Uo=141、2mv则相对误差为 S=（142、6-141、2）/142、6*100%=1%3. 误差分析产生该实验误差地主要原因有1、输入信号不稳定会导致实验误差.2、由桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路提供所需地正负直流电不 是很准，没有标准地正负12伏特，导致实验误差.忸 iMHMfllMHHHBBMmHHHy。3、在参数设计时也会引入误差.4、在计算过程中会引入计算误差.第五章、结论与心得5.1结论结论与心得

25、1、 由实验可知，当频率f为通带截止频率fp时，输出电压Uo约为最大输 出电压地 0、707 倍，即 | Au 10.707 | AuP | . J0bm4。2、由实验可知，高通滤波器削弱低频信号，只放大频率高于fp地信号，我 们可把高通滤波器用于交流放大电路地耦合电路，隔离直流成分.XvL mmMMBm|MM|m|lflHmBMmima|MBBMMflHM|MaMMMflflHflfl|flBflM|mMmMHAYaUA o3、实验中，监测地波形没有失真，说明只要正反馈引入得到，就能在f=fo 时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡.bR9C6o5.2对本设计优缺点地分析

26、本次课程设计我们主要根据要求中地提示，首先确定了各个部位元件地类 型，在充分分析和掌握了滤波电路地工作原理进行了认真仔细地计算和公式地推 倒，最终掌握了具有一般性地相关公式，当然，在公式地验算中为了简化公式， 我们也采取了一些小技巧，在确定满足课题要求地情况下，我们令电容相等，从 而大大简化了计算过程，但是在设计地诸多方面（电路地稳定性，参数选择地优 越性，电路地调试等）存在不足之处.。N9LB附录一 LM324引脚图（管脚图）LM324引脚图（俯视图）（见附录LM324系列器件为价格便宜地带有真差动输入地四运算放大器.与单电源应用场合地标准运算放大器相比，它们有一些显着优 点.该四放大器可以

27、工作在低到3.0伏或者高到32伏地电源下，静态电流为MC1741地静态电流地五分之一.共模输入范围包括负电源，因而消除了在多应用 场合中采用外部偏置组件地必要性.DJ8T7。LM324地特点：1.短跑保护输出；2.真差动输入级；3.可单电源工作：3V-32V；4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）；5. 每封装含四个运算放大器.6.共模范围扩展到负电源7.具有内部补偿地功能；8.输入端具有静电保护功能9.行业标准地引脚排列；附录二元件清单类型规格数量备注电阻1KQ4个2KQ6个3KQ6个10KQ3个芯片LM3241块芯片插槽14管脚1块电容0.1uF6只PCB板110X702块导线多股

28、皮包线若干锡丝0.8mm若干电源直流稳压1台f =02兀示波器双踪1台附二仪器清单表附录三参考文献1 童诗白、童诗白、华成英.模拟电子技术基础，清华大学出版社2 王港元.电工电子实践指导（第二版）.江西科学技术出版社，20053 毕满清.电子技术实验与课程设计.机械工业出版社4 樊昌信、曹丽娜.通信原理（第6版）M.北京：国防工业出版社，20065 刘玉敏，俞重远，张建忠等.粒子群优化算法用于光纤布拉格光栅综合问题地 研究J.激光杂志，2005, 26（4）: 69-70. QF8in版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理. 版权为个人所有This article in

29、cludes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is personal ownership.|4B7a9。用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其 他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律 地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本 文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面 许可，并支付报酬. iXOiF oUsers may use the contents or services of this article for person

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