仪器电子技术-第三章有源滤波器.ppt

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1、仪器电子技术,吕勇 2010,预习,第三章 有源滤波电路滤波器参数滤波器传递函数滤波器逼近方法滤波器设计方法集成有源滤波器,第三章 有源滤波电路,第一节 基础知识一、滤波器的用途二、分类三、参数四、二阶滤波器传递函数五、滤波器的逼近第二节 RC有源滤波器电路第三节 RC有源滤波器设计第四节 开关电容滤波方法简介第五节 集成有源滤波器简介第六节 应用举例,第一节 基础知识一、滤波器概念与用途,具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。,测量信号表面轮廓形状误差（准直流）波度（低频）表面粗糙度（中频）噪声（高频）,二、分类,频率与功能特性：低通（LPF）、高通（H

2、PF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波、全通滤波器器件特点：无源滤波器RLC滤波器、晶体滤波器、压电陶瓷、声表面波滤波器(SAW)、机械滤波器有源滤波RC有源滤波、开关电容滤波器(SCF)信号形式：模拟滤波器、数字滤波器阶数：1、2、3.N,三、参数,表示最大通带衰减,通带角频率,阻带最小衰减,阻带边缘角频率,截止频率,固有频率,1、特征频率：通带截频fp=wp/(2)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频fr=wr/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率fc=wc/(2)为信号功率衰减到1/2(

3、约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。固有频率f0=w0/(2)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。2、增益与衰耗对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。,三、参数,3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，

4、Q=w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽，w0为中心频率。4、灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。5、群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。,三

5、、参数,理想幅频特性,四、二阶滤波器传递函数,二阶传输函数,低通,带通,高通,带阻,低通,高通,带通,带阻,五、滤波器逼近方法,近似方法:1、巴特沃思近似2、切比雪夫近似3、贝塞尔近似,理想滤波器要求幅频特性A(w)在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。,1、巴特沃思近似,幅频函数,传递函数,例 n=1 s1=-1,n=1,2,.,n=2,归一化：,2、切比雪夫近似,0.5db波纹,n=1S+2.863n=2S2+1.425S+1.516,1db波纹,n=1S+1.965n=

6、2S2+1.098S+1.103,3、贝塞尔近似,n=1S+1n=2S2+3S+3,En()贝塞尔滤波多项式,.三种方法特点,巴特沃思：通带内幅频曲线的幅度平坦，最平幅度逼近，相移与频率的关系不是很线性的，阶跃响应有过冲。,切比雪夫：下降最陡，但通带之间幅频曲线有波纹。贝塞尔：相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。,三种方法特点,第二节 RC有源滤波器电路,一、一阶RC有源低通滤波器二、一阶RC有源高通滤波器三、压控电压源型滤波电路四、无限增益多路反馈型滤波电路五、双二阶环滤波电路,一、一阶RC有源低通滤波器,I,T,二、一阶有源高通滤波器,传递函数：,通带

7、增益：,截止频率：,三、压控电压源型滤波电路,该电路压控增益Kf=1+R0/R，传递函数为,1、低通滤波电路滤波器参数为,2、高通滤波器,3、带通滤波器,4、带阻滤波器,特点：调整方便易自激Q值较小,四、无限增益多路反馈型滤波电路,1、低通滤波电路,uo(t),2、高通滤波器,ui(t),3、带通滤波器,特点：调整不太方便稳定对有源器件要求高Q值较小,1、低通与带通滤波电路,五、双二阶环滤波电路,2、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路,3、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路,特点：调整方便稳定Q值较高,第三节 RC有源滤波器设计,方法：公式法图表法快速设计计算机辅助设计类比法,公式法,

8、确定传递函数逼近函数选择阶数确定经验根据通带增益、阻带衰减、通带截止频率、阻带截止频率、波纹特性确定选择电路结构选择有源器件（增益、带宽、噪声和输入输出电阻）计算无源元件参数R C不能太大、太小C=100/F阶数越大，要求R C精确,归一化,将滤波器设计归结为截止频率为1的低通滤波器的设计,通过一定的规则把归一化低通滤波器变换成实用的滤波器(图表法),归一化快速设计,在给定的fc下，参考下表选择电容C1;根据C1的实际值，按下式计算电阻换标系数K;K=100/fcC1 由表确定C2及归一化电阻值ri，再换算出Ri。,第四节 开关电容滤波方法简介,MAX280/LTC1062五阶零直流误差低通滤

9、波器单片集成通用有源滤波器MAX263/264MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器MAX291/MAX292/MAX295/MAX296八阶低通开关电容滤波器 MAX293/MAX294/MAX297八阶低通椭圆型开关电容滤波器,第五节 集成有源滤波器简介,第五节 集成有源滤波器简介,1、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器MAX280,2、单片集成通用有源滤波器MAX263/264,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,特性,应用,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,A,B,D,C,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源

10、滤波器,内部特性描述,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,典型电路与响应,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,带阻滤波器实现,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,滤波器设计算法,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,级联增益选择,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,3、MAX274/MAX275四阶和八阶连续时间有源滤波器,滤波器设计软件,滤波器设计软件,机床轴心轨迹的滤波处理,4、滤波器应用举例,机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,超声主要应用：,医学超声检测,4、滤波器应用举例,超声波检测系统组成,4、滤波器应用举例,发射：超声接收：同相放大器滤波器：程控增益放大器：,4、滤波器应用举例,实验二：MAX275滤波器设计,作业,预习,第四章 信号处理电路运算电路信号转换电路V/I、I/V 转换电压比较器V/F、F/V转换采样保持,