高阶有源带通滤波器课程设计精编W O R D版 IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】
2013级《模拟电子技术》课程设计说明书高阶有源带通滤波器
课程设计评定意见
《模拟电子技术》课程设计任务书
学院：电气与信息工程学院
适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程
《模拟电子技术》课程设计任务书
学院：电气与信息工程学院
适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程
摘要
滤波器在现实生活中非常重要，运用广泛，在电子工程、通讯工程、自动化控制等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波器。随着集成电路的迅速发展，用集成运放可以很方便地构成各种滤波器。用集成运放实现的滤波器与其他滤波器相比，稳定性和实用性等性能指标，有了很大的提高。
滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，通过对滤波器的原理以及结构
的认识设计一个通带为800Hz～1200Hz，增益为2～3倍，中心频率为1000Hz的带通滤波器。确定设计方案，设计选用UA741芯片作为电路的放大器，计算出该方案需要的电阻、电容、运算放大器参数，再用Multisim对电路进行仿真，观察电路的幅频特性曲线，然后用AD软件制作带通滤波器电路板，制作完成后，再对电路板进行调试，误差分析，把理论值与测试值进行对比，在误差允许的范围内，证明此次设计的滤波器是成功的。最终得到一个满足课程设计的高阶有源带通滤波器。
关键词：有源；带通；滤波器；UA741；幅频特性曲线
目录
1概述 (1)
1.1带通滤波器的简介和功能 (1)
1.2滤波器的传递函数与频率特性 (1)
1.2.1二阶RC滤波器的传递函数 (1)
1.2.2 滤波器的频率特性 (3)
1.3 工作原理 (4)
1.3.1高阶滤波器的工作原理 (4)
1.3.2直流稳压电源的工作原理 (4)
1.4 滤波器的主要特性指标 (5)
1.4.1特征频率 (5)
1.4.2增益与衰减 (5)
1.4.3阻尼系数与品质因数 (5)
2滤波器设计方案 (7)
2.1高阶有源带通滤波器设计方案 (7)
2.1.1设计思路 (7)
2.1.2 确定设计原理图 (8)
2.1.3二阶低通滤波电路 (9)
2.1.4二阶高通滤波电路 (10)
2.2 直流稳压电源的设计 (11)
2.2.1直流稳压电源的工作原理 (11)
2.2.2直流稳压电源电路的选择与分析 (12)
3设计电路元件参数计算 (13)
3.1滤波器元件参数选取 (13)
3.1.1二阶低通部分参数计算 (13)
3.1.2二阶高通部分参数计算 (13)
3.2直流稳压电源参数计算 (14)
4仿真测试和数据分析 (15)
4.1仿真原理电路图 (15)
4.2幅频特性曲线分析 (15)
4.3仿真误差分析 (16)
5 PCB板的制作与调试 (18)
5.1PCB排板 (18)
5.2焊接与调试 (18)
5.2.1仪器与设备 (18)
5.2.2调试 (18)
5.3误差分析 (19)
结束语 (20)
参考文献 (21)
致谢 (22)
附录 (23)
附录A 元器件清单 (23)
附录B 电路原理图 (24)
附录C 电路PCB图 (25)
附录D 实物图 (26)
1概述
1.1带通滤波器的简介和功能
滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其他频段信号的电路。 滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两种：
①无源带通滤波器：由电感L 、电容C 及电阻R 等无源元件组成。 ②有源带通滤波器：有源滤波器一般由集成运放与RC 网络构成，它具有体积小，性能稳等优点，同时由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大和缓冲作用，利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比和选频的目的，因而有源滤波器广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。
从功能来看有源滤波器可分为：低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、带通滤波器（BPF ）、带阻滤波器（BEF ）全通滤波器（APF ）。 1.2滤波器的传递函数与频率特性 1.2.1二阶RC 滤波器的传递函数
传递函数用来描述滤波电路的特性。传递函数是输出与输入信号电压和电流拉氏变换之比。对于任意复杂的滤波网络，均可分解为若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。因为任意个线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。高阶有源低通滤波电路如图1所示，由图可知，它是由两节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。 图1 二阶RC 有源低通滤波电路
同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即
R R A A A VF VF
1
1
1-1）（+==。 （1）
考虑到集成运放的同相输入端电压为：
(2) 电路中由KCL 可得
(3)
由式（2），（3）联立得
（4）
令
(5)
(6)
由（4），（5），（6）联立得二阶RC 低通滤波器的传递函数为式（7）：
（7）
同理可得二阶RC 高通滤波电路的传递函数为式（8）；高阶有源高通电路如图2所示：
A V
V VF
p
s s )()(0
=
[]
)()()()()()(0=-----R
s s sC s s R
s s V V V V V V
P A
A A i
）（sCR A A
V V A
sCR s s VF VF
i
s
2
)3(1)()
(+-+=
=()RC c 1
=
ωA
VF
Q -
=
31ωωω
ωωω
2
2
20
2
2
2c
c c
c
c c
VF
s
s Q s Q s
A s
A A
++=
++=
（8）
带通滤波器的传递函数为式（9）；带通滤波电路电路如图3所示：
（9）
图2 二阶RC 高通滤波电路 图3 二阶RC 有源带通滤波电路 1.2.2 滤波器的频率特性
模拟滤波器的传递函数()s H 表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui 是角频率为ω的单位信号，滤波器的输出()()jw jw U o H =会随输入信号频率的不同而变化，称为滤波器的频率特性。
频率特性是一个复函数，其幅值()ωA 称为幅频特性，其幅角()ωψ表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性。
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RC 节数越多，电路调试越困难。低通滤波器的幅频特性曲线如图4所示，带通滤波器的幅频特性曲线如图5所示。高通滤波器的幅频特性曲线如图6所示，课程小组的这次课程设计，采用一个二阶低通滤波器串联一个二阶高通滤波器构成一个高阶带通滤波器。
图4低通幅频特性曲线 图5通带幅频特性曲线
ωω2
2
2
c
c s s Q s
s
A A ++=
)
(
012
ωω
ω
s
Q Q A A
s
s
s
++
=()jw H
图6高通幅频特性曲线 1.3 工作原理
1.3.1高阶RC 滤波器的工作原理
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通道，在通带没有增益或者衰减，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内完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能将期望频率范围的所有频率完全衰减掉，尤其是在所需要的带通外还有一个被衰减但没有被隔离的范围。这通带称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB 来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。
1.3.2 直流稳压电源的工作原理
直流稳压电源包括变压、整流、滤波、稳压四部分组成，电路输入220V 的电压，通过变压器变压后，再将其整流成单向脉冲电压，因为整流出来的脉动成分比较大，所以需要将其通过滤波电路进行滤波，将脉动成分滤掉。得到比较平滑的直流电流，但是此时得到的电压值会受到电网电压的被动和负载的影响，得到的电压是不稳定的，所以必须将不稳定的电压进行稳压处理，最后得到稳定的直流电压。 1.4 滤波器的主要特性指标 1.4.1特征频率
①通带截频πω2/p p f =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。
②阻带截频πω2/p p f =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。
③转折频率πω2/c c f =为信号功率衰减到(约为3dB)时的频率，在很
多情况下，常以c f 作为通带或阻带截频。
④固有频率为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 1.4.2增益与衰减
滤波器在通带内的增益KP 并非为常数。对于低通滤波器，通带增益一般是指0=ω
处的增益；对于高通滤波器，通带增益一般是指时的增益；对
于带通滤波器，通带增益一般是中心频率处的增益（即Hz f 1000=处的增益）此次课程小组设计的高阶带通滤波器的增益，在要求在之
间。
1.4.3阻尼系数与品质因数
阻尼系数表征了滤波器对角频率为
信号的阻尼作用，是滤波器中表
示能量衰减的一项指标。的倒数称为品质因素，是衡量带通和带阻滤波器的频率选择性的一个重要指标。可以证明：
（10）
电路的品质因数Q 有两种测量方法，一是根据公式00//U U U U Q C L ==测定，与分别为谐振时电容器C 与电感线圈L 上的电压；另一种方法是通
过测量谐振曲线的通频带宽度，再根据 求出值。式中
为谐振频率，当1f 与2f 是失谐时，即输出电压的幅度下降到最大
值的倍时的上、下频率点。Q 值越大，曲线越尖锐，通频带越窄，电路的选择性越好，其幅频特性曲线如图7所示： 图7 幅频特性曲线 2滤波器设计方案
2.1高阶有源带通滤波器设计方案
21πω2/c c f =∞→ω515.2=Av 3~2αω
αQ B Q f
0=
=ω
?C U L U f f f 1
2
-=?)/(120f f f Q -=Q
f
707.021=
2.1.1设计思路
考虑到实用性，带负载能力要强，应满足输入阻抗足够高，输出阻抗足够小。根据设计要求，滤波器的带宽范围从Hz Hz 1200~800，增益倍3~2=Av ，阻带衰减频率频程10/40dB -的带通滤波电路。本电路可以采用一个二阶低通和一个二阶高通的滤波电路级串联而成。
由图8可看出，当Q 值大于0.707时，在巴特沃斯低通高通电路阶数n 与增益G 的关系如表1中可知它的增益只能达到1.586，一个二阶低通与一个二阶高通电路进行级联增益为2.515，所以将带通滤波电路看成两部分，分别求出两部分电路元件参数，A V 也分成两部分A A A V V V ,,21即两部分相乘，
515.2)586.1(2
==A V
，基本达到设计要求。 表1 巴特沃斯低通高通电路阶数n 与增益G 的关系
图
8二阶
低通滤
波电路的幅频响应曲线
2.1.2 确定设计原理图
本次设计采用二阶低通滤波电路级联二阶高通滤波电路组成，滤波电路中两个运算放大器为UA741芯片。高阶有源带通滤波器原理仿真图如图9所示；带通滤波器设计原理图如图10所示；设计电路的系统框图如图11所示。
阶数n 2 4 6 8
增益
一阶
1.586 1.152 1.068 1.038
二阶
2.235 1.586 1.337
三阶
2.483 1.889
四阶
2.601
图9高阶有源带通滤波器原理仿真图
图10带通滤波器设计原理
图11系统原理框图
用到的UA741芯片的管脚图如图12所示，其中UA741芯片的1脚和5脚为调零端，2脚为反向端，3脚为同相端，4脚接负电源，7脚接正电源，6脚为输出端，8脚悬空。实物如图13所示。 图12 UA741管脚图
图13 UA741实物图 2.1.3二阶低通滤波电路
电路前半部分采用压控电压源二阶低通滤波电路过滤通带外高频信号，电路中同时引入了正负反馈。当信号趋于零时，由于1C 的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号趋于无穷大时，由于2C 的电抗趋于零，因而)s (1U 趋于零，只要正反馈引入得当，就既可能在RC f π2/1=时使电压放大倍数增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。同相输入端电压则由集成运放和7R 和8R 组成的电压源控制。低通滤波电路如图14（a)所示，示波器所显示的幅频特性曲线如图14（b ）所示。
取uF C C 01.021==,Ω==K R R 27.1321。
则通带放大倍数 586.1/178=+=R R A V 。 （11）
设，则低通滤波电路的传递函数如式（12）
RC f π2/1
=
（12） 所以只有当V A <3时，电路才能正常工作，而不产生自激振荡。若取品质因数：
（13）
则 A us =1.586 ,符合V A <3这一条件，进而=78/R R V A -1≈0.586。 （a ）低通部分滤波器电路图
（b ）低通示波器的幅频特性曲线
图14 高阶低通部分滤波器电路图和低通的幅频特性曲线 2.1.4二阶高通滤波电路
由滤波器的设计指标要求可知，带通范围是Hz Hz 1200~800，所以所设计的高通滤波器的低边截止角频率为Hz 800。电路前后半部分采用压控电压源二阶高通滤波电路过滤通带外低频信号。高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，将相应的电容换成电阻，电阻换成电容，就可以得到高通滤波电路。高通滤波电路如图15（a ）所示，示波器所显示的幅频特性曲线如图15 (b)所示。 取uF C C 01.043==，Ω==K R R 9.1943。 则通带放大倍数592.1/165=+=R R A V 。
f
f
A f A
A
h
u h
u u
j f
)
3()(1.
.1
.
1
-+-=
2
2
.
u .1
.
=
==
A
A u f f Q h
设，同样只有当<3，电路才能正常工作，而不产生自激振荡。取品质因数Q=0.707, 则
=1.586 ,符合<3这一条件，进而
-1≈0.586。
（a) 高通滤波器设计电路图
（b) 高通滤波器幅频特性曲线
图15高通滤波器的设计电路和幅频特性曲线 2.2 直流稳压电源的设计 2.2.1直流稳压电源的工作原理
直流稳压电源包括变压器，整流，滤波，稳压电路，负载组成，其原理框图如图16所示：
图16直流稳压电源原理框图
电路中，首先将电网电压利用变压器得到合适的交流电压，其次将降压的交流电通过整流电路变成单向的脉冲电压，这种直流电的脉动成分比较大，往往需要利用滤波电路将其中的脉动成分滤掉。得到比较平滑的直流电，此时的电压值还会受到电网电压的被动和负载变化的影响，这样的直流电源是不稳定的，最后加上稳压电路部分，使输出的直流电压在电网或负载电流发生变化时保持稳定，从而得到稳定的直流电压。 2.2.2直流稳压电源电路的选择与分析
单相桥式整流电路与半波整流整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高，变压器利用率高，脉动小等有点，因此在设计中选用单向桥式整流电路，桥式整流过程如图17所示
图17桥式整流电路
RC f π2/1=V A A
us
V A =65/R R V A
有源带通滤波器设计报告 学生姓名崔新科 同组者王霞吴红娟 指导老师王全州
摘要 该设计利用模拟电路的相关知识，设定上线和下限频率，采用开环增益80dB 以上的集成运算放大器，设计符合要求的带通滤波器。再利用Multisim 仿真出滤波电路的波形和测量幅频特性。通过仿真和成品调试表明设计的有源滤波器可以基本达到所要求的指标。其主要设计内容： 1．确定有源滤波器的上、下限频率； 2．设计符合条件的有源带通滤波器；- 3．测量设计的有源滤波器的幅频特性； 4．制作与调试； 5. 总结遇到的问题和解决的方法。 关键词：四阶电路有源带通滤波器极点频率 The use of analog circuit design knowledge, on-line and set the lower limit frequency, the use of open-loop gain of 80dB or more integrated operational amplifier designed to meet the requirements of the bandpass filter. Re-use Multisim circuit simulation waveform and filter out the measurement of amplitude-frequency characteristics. Finished debugging the simulation and design of active filters that can basically meet the required targets. The main design elements: 1. Determine the active filter, the lower limit frequency; 2. Designed to meet the requirements of the active band-pass filter; - 3. Designed to measure the amplitude-frequency characteristics of active filters; 4. Production and commissioning; 5 summarizes the problems and solutions. Keywords: fourth-order active band-pass filter circuit pole frequency
一、制作一个1000Hz 的正弦波产生电路： 图1.1 正弦波产生电路 1.1 RC 桥式振荡电路 RC 桥式振荡电路如图（1.1）所示。这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。其中，R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、W R 及R4组成负反馈网络，调节W R 可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。RC 串并联网络与负反馈中的R3、W R 刚好组成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大器A1的两个输入端，桥式振荡电路的名称即由此得来。 分析RC 串并联网络的选频特性，根椐正弦波振荡电路的振幅平衡条件，选择合适的放大指标，构成一个完整的振荡电路。 1.2 振荡电路的传递函数 由图（1.1）有 1111 Z R sC =+，2 2222 1Z 1R R C sC =+＝2221R sC R + 其中，1Z 、2Z 分别为图1.1中RC 串、并联网络的阻值。 得到输入与输出的传递函数： F ν(s)= 21 2 1212221121()1 sR C R R C C s R C R C R C s ++++ =12 21122111212 11111()s R C s s R C R C R C R R C C ++++ （1.1） 由式（1.1）得 21212 R R 1 C C =ω 2 1210R R 1 C C = ?ω
取1R ＝2R ＝16k Ω,12C C =＝0.01μF ，则有 1.3 振荡电路分析 就实际的频率而言，可用s j ω=替换，在0ωω=时，经RC 选频网络传输到运放同相端的电压与1o U 同相，这样，放大电路和由Z1和Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件。 12 2 11221212 ()12v j C R F j j C R j C R C C R R ωωωωω= ++- （1.2） 令2 12101R R C C = ω,且R R R C C C ====2121,，则式（1.2）变为 ) (31 )(00ω ωωωω-+= j j F v （1.3） 由此可得RC 串并联选频网络的幅频响应 2 002)( 31ω ωωω-+= V F （1.4） 相频响应 3 )( arctan 0ω ωωω?--=f （1.5） 由此可知，当 2 12101R R C C = =ωω，或CR f f π21 0= = 时，幅频响应的幅度为最大，即 而相频响应的相位角为零，即 这说明，当2 12101R R C C = =ωω时，输出的电压的幅度最大（当输入电压的幅 度一定，而频率可调时），并且输出电压时输入电压的1/3，同时输出电压与输入
滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。 滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： ①无源滤波器: 由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成 ②有源滤波器: 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。 利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。 从功能来上有源滤波器分为： 低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、 带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、 全通滤波器（APF）。 其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。 带通滤波器（BPF） （a）电路图(b)幅频特性 图1 压控电压源二阶带通滤波器 工作原理：这种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。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图1（a）所示。 电路性能参数 通带增益 中心频率 通带宽度 选择性 此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。 例．要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率 通带中心频率处的电压放大倍数： 带宽： 设计步骤： 1）选用图2电路。 2）该电路的传输函数： 品质因数： 通带的中心角频率： 通带中心角频率处的电压放大倍数： 取，则：
实验八 有源滤波器的设计 一．实验目的 1． 学习有源滤波器的设计方法。 2． 掌握有源滤波器的安装与调试方法。 3． 了解电阻、电容和Q 值对滤波器性能的影响。 二．预习要求 1． 根据滤波器的技术指标要求，选用滤波器电路，计算电路中各元件的数值。设计出 满足技术指标要求的滤波器。 2. 根据设计与计算的结果，写出设计报告。 3. 制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。 三．设计方法 有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： n c uo u A j A 21)(??? ? ??+= ωωω ， n=1，2，3，. . . （1） 写成： n c uo u A j A 211) (??? ? ??+=ωωω （2） )(ωj A u 其中A uo 为通带内的电压放大倍数，ωC A uo 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当ω=0时，（2）式有最大值1； 0.707A uo ω=ωC 时，（2）式等于0.707，即A u 衰减了3dB ；n 取得越大，随着ω的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性。如图1所示。ω 当 ω>>ωC 时， n c uo u A j A ??? ? ??≈ωωω1 )( （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线
两边取对数，得： lg 20c uo u n A j A ωω ωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 表1列出了归一化的、n 为1 ~ 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，S L = c s ω，ωC 是低通 滤波器的截止频率。 对于一阶低通滤波器，其传递函数： c c uo u s A s A ωω+= )( （5） 归一化的传递函数： 1 )(+= L uo L u s A s A （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数：2 22)(c c c uo u s Q s A s A ωωω++ = （7） 归一化后的传递函数： 1 1)(2 ++= L L uo L u s Q s A s A （8） 由表1可以看出，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2n 节二阶滤波器级联而成；而n 为奇数的高阶滤波器可以由2 1-n 节二
目录 1 课程设计的目的与作用 (1) 2 设计任务及所用multisim软件环境介绍 (1) 2.1 设计任务 (1) 2.2 Multisim软件环境介绍 (1) 3 电路模型的建立 (2) 4 理论分析及计算 (3) 5 仿真结果分析 (4) 6 设计总结和体会 (4) 7 参考文献 (5)
1 课程设计的目的与作用 目的:根据设计任务完成对二阶带通滤波器的设计，进一步加强对模拟电子技术的理解。了解二阶带通滤波器的工作原理，掌握对二阶带通滤波器频率特性的测试方法。 带通滤波器:其作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。常用于抗干扰设备中，以便接收某一段频带范围内的有效信号，而消除高频段和低频段的干扰和噪声。 2 设计任务及所用multisim软件环境介绍 2.1 设计任务 学会使用Multisim10软件设计二阶带通滤波器的电路，使学生初步了解和掌握二阶带通滤波器的设计、调试过程及其频率特性的测试方法，能进一步巩固课堂上学到的理论知识，了解带通滤波器的工作原理。 2.2 Multisim软件环境介绍 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
有源RC带通滤波器设计方案 一、需要关注的指标： 功能指标 1.通带带宽(Bandwidth)滤波器通过截止信号的频率界限，一般用绝对频率来表示，也可用中心频率和相对带宽等值来表示。 带通滤波器，中心频率200KHz，带宽25KHz。 2.通带纹波(Passband Ripple):把通带波动的最高点和最低点的差值作为衡量波动剧烈程度的参数，即是通带波纹。通带波纹导致对于不同频率的信号放大的增益倍数不同，可能输出信号波形失真。 0？巴特沃斯，通带平坦。 3.阻带抑制((Stopband Rejection):即对不需要信号的抑制能力，一般希望尽可能大，并在通带范围内陡峭的下降。通常取通带外与带宽为一定比值的某一频率的衰减值作为此项指标。 ？？ 4.通带增益(Passband Gain):有用信号通过的能力。无源滤波器产生衰减，有源滤波器可以产生增益。 ？？ 5.群时延:定义为相位对频率的微分，表征不同频率的信号通过系统时的相位差异。 ？？ 性能指标： 1.运算放大器的增益带宽积，GBW对于滤波器的性能来讲，起到了至关重 要的作用。如果设计得到的GBW较小不满足要求，则滤波器将在高频频 段出现增益尖峰。同时为了降低滤波器的整体功耗，GBW又不能选取的 太大。根据当前业界对滤波器的研究，这里我们设定GBW为滤波器工作 截止频率的50倍。 带通滤波器，中心频率200KHz，带宽25KHz=====》最高截止频率为 212.5KHz=====》GBW至少10.625MHz。 2.电流功耗，主要是单个运放的功耗。 示例：带宽为2MHz的有源带通滤波器所采用的的运放，1.8V电源电压 下，消耗的电流为310uA，中频电压增益为65dB，增益带宽积GBW为 160MHz，相位裕度为55度，驱动负载为100K欧，2pF。 本项目电源电压3.3V，GBW至少10.625MHz，负载1M欧，10pF，相位裕 度大于80，电流<250uA。 3.共模电平,一般设置为电源电压的一半。 考虑到电源电压浮动，按最小电源电压的一半设计，拟设计为1.5V。 4.输入输出差分电压摆幅，最好是满摆幅。 5.噪声，来自电阻和运放，值得注意的是，构成高阶滤波器的各个Biquad 位置放置不同，噪声也会不同，适当时候也可以引进全通单元放第一级 来抑制噪声(全通还被用来平衡群延时)。 6.线性度，也是滤波器的一个重要的性能性指标，在模拟基带电路中，一 般用THD总谐波失真来衡量，也有看输入1dB压缩点的。 7.稳定性，分两种，一种是涉及到振荡的稳定性，需要仔细设计运放，并
课 程 设 计 报 告 课程名称： 数字带通滤波器设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 完成时间： 报告成绩： IIR 数字带通滤波器的设计
1课程设计目的 1掌握冲激响应不变法IIR 低通滤波器的设计。 2 通过对常用数字滤波器的设计和实现，掌握数字信号处理的工作原理及设计方法；熟悉用双线性变换法设计 IIR 数字滤波器的原理与方法，掌握利用数字滤波器对信号进行滤波的方法，掌握数字滤波器的计算机仿真方法，并能够对设计结果加以分析。 2.课程设计要求 采用双线性变换法设计一IIR 数字带通滤波器，抽样频率为 1s f kH z =，性能 要求为：通带范围从250Hz 到400Hz ，在此两频率处衰减不大于3dB , 在150Hz 和480Hz 频率处衰减不小于20dB ，采用巴特沃思型滤波器 3.设计原理 3.1用双线性变换法设计IIR 数字滤波器 脉冲响应不变法的主要缺点是产生频率响应的混叠失真。这是因为从S 平面到Ｚ平面是多值的映射关系所造成的。为了克服这一缺点，可以采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到-π/T ～π/T 之间，再用st e z =转 换到Z 平面上。也就是说，第一步先将整个S 平面压缩映射到S 1平面的-π/T ～π/T 一条横带里；第二步再通过标准变换关系z =e s 1T 将此横带变换到整个Z 平面上去。这样就使S 平面与Z 平面建立了一一对应的单值关系，消除了多值变换性，也就消除了频谱混叠现象，映射关系如图1-3所示。 图1双线性变换的映射关系 为了将s 平面的整个虚轴 Ω j 压缩到1s 平面1Ωj 轴上的-π/T 到π/T 段上， Z 平面 S 1 平面 S 平面
二阶有源模拟带通滤波器设计 摘要 滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过。而同时抑制(或衰减)不需要传送频率范围内的信号。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。 以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 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。按照通带和阻带的位置分布，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。文中结合实例，介绍了设计一个二阶有源模拟带通滤波器。 设计中用RC网络和集成运放组成，组成电路选用LM324不仅可以滤波，还可以进行放大。 关键字：带通滤波器 LM324 RC网络
目录 目录 (2) 第一章设计要求 (3) 1.1基本要求 (3) 第二章方案选择及原理分析 (4) 2.1.方案选择 (4) 2.2 原理分析 (5) 第三章电路设计 (7) 3.1 实现电路 (7) 3.2参数设计 (7) 3.3电路仿真 (9) 1.仿真步骤及结果 (9) 2.结果分析 (11) 第四章电路安装与调试 (12) 4.1实验安装过程 (12) 4.2 调试过程及结果 ..................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 遇到的问题 .................................................................................................. 错误!未定义书签。 4.2.2 解决方法 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2.3 调试结果与分析 (12) 结论 (13) 参考文献 (14)
基于MATLAB的数字带通滤波器课程设计报告1 西安文理学院机械电子工程系 课程设计报告 专业班级08级电子信息工程1班 题目基于MATLAB的数字带通滤波器 学号 学生姓名 指导教师 2011 年12 月 西安文理学院机械电子工程系 课程设计任务书 学生姓名_______专业班级________ 学号______ 指导教师______ 职称副教授教研室电子信息工程课程数字信号处理题目 基于MATLAB 的数字带通滤波器设计任务与要求 设计任务：
要求设计一个IIR 带通滤波器，其中通带的中心频率为πω5.0=po ，通 带的截止频率πω4.01=p ，πω6.02=p ，通带最大衰减dB p 3=α；阻带最小 衰减dB s 15=α，阻带截止频率πω3.01=s ，πω7.02=s 。 设计要求： 1. 根据设计任务要求给出实现方案及实现过程。 2. 给出所实现的滤波器幅频特性及相频特性曲线并加以分析。 3. 论文要求思路清晰，结构合理，语言流畅，书写格式符合要求。 开始日期2011.12.19 完成日期2011.12.30 2011年12月18 日 一、设计任务 设计一数字带通滤波器，用IIR 来实现，其主要技术指标： 通带边缘频率：wp 1=0.4π，wp2=0.6π 通带最大衰减：Ap=3dB 阻带边缘频率：ws 1=0.3π，ws2=0.7π 阻带最小衰减：As=15dB 设计总体要求：用MATLAB 语言编程进行设计，给出IIR 数字滤波器 的参数，给出幅度和相位响应曲线，对IIR 实现形式和特点等方面进行讨
论。 二、设计方法 IIR 数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配，所以 IIR 滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。比较常用的原型滤波器有巴特沃什滤波器（Butterworth ）、切比雪夫滤波 器（Chebyshev ）、椭圆滤波器（Ellipse ）和贝塞尔滤波器（Bessel ）等。他们有各自的特点，巴特沃什滤波器具有单调下降的幅频特性；切比雪夫 滤波器的幅频特性在通带和阻带里有波动，可以提高选择性；贝塞尔滤波 器通带内有较好的线性相位特性；椭圆滤波器的选择性最好。本设计IIR 数字滤波器采用巴特沃什滤波器[3]。 设计巴特沃什数字滤波器时，首先应根据参数要求设计出相应的模拟 滤波器，其步骤如下： （1）由模拟滤波器的设计指标wp ，ws ，Ap ，As 和式（1）确定滤波器 阶数N 。 )lg(2)110110lg(1.01.0w w s p As Ap N --≥ （1） （2）由式（2）确定wc 。
RC 有源带通滤波器的设计 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电路中。 一．技术指标 总增益为1； 通带频率范围为300Hz —3000Hz ，通带内允许的最大波动为-1db —+1db ； 阻带边缘频率范围为225Hz 和4000Hz 、阻带内最小衰减为20db ； 二．设计过程 1． 采用低通-高通级联实现带通滤波器； 将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通滤波器和高通滤波器，再级联即得带通滤波器。古 低通滤波器的技术指标为： dB A Hz f G dB A Hz f SH PH 204000113000min max ===== 高通滤波器的技术指标为： dB A Hz f G dB A Hz f SL PL 2022511300min max ===== 2． 选用切比雪夫逼近方式计算阶数 (1). 低通滤波器阶数N 1 ) /(] )110/()110([11.01.011max min PH SH A A f f ch ch N ----≥ (2). 高通滤波器阶数N 2 )/(] )110/()110([11.01.012max min SL PL A A f f ch ch N ----≥ 3． 求滤波器的传递函数 1). 根据N 1查表求出归一化低通滤波器传递函数H LP (s ’)，去归一化得 P H f S S LP LP S H S H π2'|)'()(== 2). 根据N 2查表求出归一化高通滤波器传递函数H HP (s ’)，去归一化得 S f S HP HP P L S H S H π2'| )'()(==
高阶LC滤波器设计的仿真与实现 ( 海格通信产业集团 高迎帅) 摘要：本文以椭圆低通滤波器设计为例，讲述了LC滤波器设计的基本思路和方法，并仿真和工程实现的几点差异。通过实验测试分析了产生差异的原因，并提出了几点进行高阶滤波器设计应当注意的几点细节问题。 关键词：椭圆低通滤波器、阻带衰减、辐射干扰 前 言 在射频电路设计中，滤波器是最基本的单元之一。在我们的产品中有很多不同种类不同用途的滤波器，例如LC滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器等等，无论是什么形式的滤波器，他们的作用是相同的，就是在保证有用信号顺利通过的同时尽可能地抑制带外无用信号。其中，LC滤波器是应用最广泛的滤波器形式之一。在滤波器设计中出现的问题多数是共性问题，因此在下文中，我们主要以LC滤波器中的椭圆低通滤波起来进行讨论。 滤波器的性能指标 滤波器的性能可以使用几种指标参数来衡量。在这里，我们首先简单说明一下椭圆低通、滤波器的几种参数的定义。下图是一个标准的椭圆滤波器的传输曲线，通常，我们使用S参数来表示无源滤波器网络的各项特性，其中S21是我们最关心的一种特性，即前向功率传输特性。 图1 滤波器参数定义
滤波器的仿真设计 关于椭圆低通滤波器的数学表示和设计公式推导就不再详细说明了。在这里主要介绍使用工程的方法进行滤波器的方法。在进行滤波器设计时，首先根据电路的需要订制滤波器的各项指标，如通带宽度、带内波动、阻带衰减等，然后通过查表计算或者使用相关的EDA软件进行电路参数确定。将得出的参数输入计算机使用软件进行波形仿真，进行参数的仔细调整。在这里，我们以接收机前端低通滤波器的设计为例。要求参数如下： 1、通带宽度：31.5MHz 2、带内波动：≤1dB 3、带内损耗：≤1.5dB 4、阻带衰减：≥80dB 使用EDA软件FILTER进行设计，可以得到滤波器的电路参数如下： 图2 仿真设计结果 仿真波形如图一所示。需要注意的是在以上电路参数中，电感和电容的值不一定是标准系列的值。对于电感来说，我们可以取最相近的值，误差应小于10%，否则，滤波器的特性将会有较大的变化。对于电感的小的偏差，可以通过微调与其形成谐振的电容的值来补偿，保证对应的谐振点F(LC)不变。对于指标要求较高的滤波器，采用可调电感可以得到准确的设计值，但是在调试阶段必须进行仔细调整，这将占用比较多的调试时间。在上例中，电感应当使用可调电感。对于电容值的选取，通过并联的方法总可以以很小的误差得到需要的值。
设计任务书 一、设计目的 掌握二阶压控电压源有源滤波器的设计与测试方法 二、设计要求和技术指标 带通滤波器：通带增益 up A 2；中心频率：0f =1kHz ；品质因数Q=0.707.要求设计电路具有元件少、增益稳定、幅频响应好等特点。 2、设计内容及步骤 （1）写出电路的传递函数，正确计算电路元件参数，选择器件，根据所选器件画出电路原理图，并用multisim 进行仿真。 （2）安装、调试有源滤波电路。 （3）设计实验方案，完成滤波器的滤波性能测试。 （4）画出完整电路图，写出设计总结报告。 三、实验报告要求 1、写出设计报告，包括设计原理、设计电路、选择电路元器件参数、multisim 仿真结论。 2、组装和调试设计的电路检验该电路是否满足设计指标。若不满足，改变电路参数值，使其满足设计题目要求。 3、测量电路的幅频特性曲线。 4、写出实验总结报告。
前言 随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用范围极广，具有较强实践性的技术基础课程。电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革，为了培养学生的动手能力，更好的将理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。 滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。 滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个带通滤波器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。 RC有源滤波器设计 1.1总方案设计 1.1.1方案框图 图1.1.1 RC有源滤波总框图
有源模拟带通滤波器的设计 时间：2009-08-2110:51:10来源：电子科技作者：张亚黄克平 滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过。而同时抑制(或衰减)不需要传送频率范围内的信号。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。 1滤波器的结构及分类 以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 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。按照通带和阻带的位置分布，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 文中结合实例，介绍了设计一个工作在低频段的二阶有源模拟带通滤波器应该注意的一些问题。 2二阶有源模拟带通滤波器的设计 2.1基本参数的设定 二阶有源模拟带通滤波器电路，如图1所示。图中R1、C2组成低通网络，R3、C1组成高通网络，A、Ra、Rb组成了同相比例放大电路，三者共同组成了具有放大作用的二阶有源模拟带通滤波器，以下均简称为二阶带通滤波器。 根据图l可导出带通滤波器的传递函数为
令s=jω，代入式(4)，可得带通滤波器的频率响应特性为 波器的通频带宽度为BW0.7=ω0／(2πQ)=f0／Q，显然Q值越高，则通频带越窄。
广州大学 综合设计性实验 报告册 实验项目选频网络的设计及应用研究 学院物电学院年级专业班电子131 姓名朱大神学号成绩 实验地点电子楼316 指导老师
《综合设计性实验》预习报告 实验项目：选频网络的设计及应用研究 一 引言： 选频网络在信号分解、振荡电路及其收音机等方面有诸多应用。比如，利用选频网络可以挑选出一个周期信号中的基波和高次谐波。选频网络的类型和结构有很多，本实验将通过设计有源带通滤波器实现选频。 二 实验目的： （1）熟悉选频网络特性、结构及其应用，掌握选频网络的特点及其设计方法。 （2）学会使用交流毫伏表和示波器测定选频网络的幅频特性和相频特性。 （3）学会使用Multisim 进行电路仿真。 三 实验原理： 带通滤波器： 这种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和抑制。 典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成，如图1所示。 电路性能参数可由下面各式求出。 通带增益：CB R R R R A f vp 144+= 其中B 为通频带宽。 中心频率：)1 1(121 3 12 20R R C R f += π
通带宽度：)2 1(14 321R R R R R C B f -+= 品质因数：B f Q 0 = 此电路的优点是，改变f R 和4R 的比值，就可以改变通带宽度B 而不会影响中心频率0f 。 四 实验内容： 设计一个中心频率Hz f 20000=，品质因数5>Q 的带通滤波器。 五 重点问题： （1）确定带通滤波器的中心频率、上限频率及下限频率。 （2）验证滤波器是否能筛选出方波的三次谐波。 六 参考文献： [1]熊伟等.Multisim 7 电路设计及仿真应用.北京：清华大学出版社，2005. [2]吴正光，郑颜.电子技术实验仿真与实践.北京：科学出版社，2008. [4]童诗白等.模拟电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社， 2001. 图1 二阶带通滤波器
模拟电子技术课程设计报告带通滤波器设计 班级：自动化1202 姓名：杨益伟 学号：120900321 日期：2014年7月2日 信息科学与技术学院
目录 第一章设计任务及要求 1、1设计概述------------------------------------3 1、2设计任务及要求------------------------------3 第二章总体电路设计方案 2、1设计思想-----------------------------------4 2、2各功能的组成-------------------------------5 2、3总体工作过程及方案框图---------------------5 第三章单元电路设计与分析 3、1各单元电路的选择---------------------------6 3、2单元电路软件仿真---------------------------8 第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果 4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定---------9 4、2总体电路软件仿真---------------------------11 第五章电路的组构与调试 5、1使用的主要仪器、仪表-----------------------12 5、2测试的数据与波形---------------------------12 5、3组装与调试---------------------------------14 5、4调试出现的故障及解决方法-------------------14 第六章设计电路的特点及改进方向 6、1设计电路的特点及改进方向-------------------14 第七章电路元件参数列表 7、1 电路元件一览表---------------------------15 第八章结束语 8、1 对设计题目的结论性意见及改进的意向说明----16 8、2 总结设计的收获与体会----------------------16 附图(电路仿真总图、电路图) 参考文献
高阶低通滤波器的设计
目录 前言 (2) 1 滤波器 (2) 1.1 滤波器的原理 (2) 1.2 滤波器的发展过程 (3) 1.3滤波器的分类 (4) 2 仿真软件MATLAB (7) 2.1 MATLAB发展历史 (7) 2.2 MATLAB功能 (8) 2.3 MATLAB优势和特点 (10) 3 方案设计 (13) 3.1 低通滤波器的介绍 (13) 3.2巴特沃斯滤波器的基本理论 (13) 3.3 低通巴特沃斯滤波器的设计 (15) 4 滤波器的仿真 (16) 4.1 仿真程序 (16) 4.2 仿真实现 (17) 5 总结 (19) 参考文献.. (20)
基于MATLAB的高阶低通滤波器的设计与仿真 学生：陆也（指导教师：张大雷） （淮南师范学院电气信息工程学院） 摘要：滤波器在现代通信领域内有很广泛的应用，本文利用MATLAB的butter涵数设计了8阶的巴特沃斯低通滤波器，并进行了仿真。仿真输入信号采用的是三个 不同频率正弦信号的合成。将合成后的信号通过低通滤波器，实现了对高频信 号部分的过滤。采用MATLAB设计滤波器，使原来非常复杂的程序设计变成 了简单的函数调用MATLAB信号处理工具箱为滤波器设计及分析提供了非常 优秀的辅助设计工具。 关键词：低通；滤波器；MATLAB Design and Simulation of the High-level Low-pass Filter Based on MATLAB Student: LU Ye (Faculty Adriser: ZHANG DaLei) (Department of Electrical and Information Engineering, Huainan Normal University) Abstract：Filter is widely used in the field of modern communication, this paper designed 8 order Butterworth low pass filter using butter culvert MATLAB, simulation is carried out. Simulation of the input signal is used in the synthesis of three different frequency sine signals. The combined signal through a low pass filter, the high-frequency signal portion of the filter. Using the MATLAB filter design, make the program design of the original complex into simple function calls the MATLAB Signal Processing Toolbox provides aided design tool is very good for the design and analysis of filter. Key words：Low pass; filter; MATLAB 1
湘潭大学 集成电路课程设计 题目：带通滤波器 学院：材料与光电物理学院 专业：微电子 学号：2009700113 姓名：闫少阳 指导教师：唐明华教授 提交日期：2012年9月
目录 摘要 (1) Abstract (2) 1 引言 (3) 2滤波器的分类 (5) 3 级联实现带通滤波器原理 (6) 4压控电压源二阶有源带通滤波器设计、仿真和测试 (7) 4.1 压控电压源二阶有源带通滤波器理论概述 (7) 4.2 压控电压源二阶带通滤波器电路模型 (7) 4.3 压控电压源二阶带通滤波器电路特点 (8) 4.4 设计要求 (8) 4.5 设计步骤 (8) 4.5.1元器件的选择与LM324介绍 (8) 4.5.2multisim仿真 (14) 4.6 元器件的调整 (16) 4.7 利用protel 99SE进行电路板的制作 (16) 4.8 电路板的测试 (18) 4.9 小结 (18) 5结束语 (19) 参考文献 (20) 致谢 (21)
带通滤波器 摘要：近年来，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛，使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全运行，必须对谐波污染进行治理，以改善电能质量。 就当前的工业现实而言，抑制谐波的基本手段是装各类滤波补偿装置。无源滤波器的结构简单，经济性好，但易受电网阻抗和运行状态影响与系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器则可以解决这些问题，并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性，因而具有极高的发展前景。 本文的主要内容有： 1. 压控电压源二阶有源带通滤波器理论，包括其数学模型和典型参数[1]； 2. 介绍集成运放LM324的结构、引脚及性能参数； 3. 软件protel 99SE[2]和multisim 10的简要介绍； 4.设计、仿真、制作一个二阶压控电压源滤波器，并对其进行测试[3]。 关键词：带通滤波器；中心频率；通频带带宽；multisim 9；protel 99SE；仿真
7 带通滤波器（有源、无源） 一、实验目的 1、熟悉带通滤波器构成及其特性。 2、学会测量带通滤波器幅频特性的方法。 二、实验原理说明 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。这里主要是讨论模拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件R 、L 和C 组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R 、C 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，这是它的不足之处。 2.1基本概念及初步定义 滤波电路的一般结构如2—1所示。图中的V i (t)表示输入信号，V 0（t ）为输出信号。 假设滤波器是一个线形时不变网络，则在复频域内其传递函数（系统函数）为 A （s ）＝ ) () (0s V s V i 式中A （s ）是滤波电路的电压传递函数，一般为复数。对于频率来说（s=j ω）则有 A （j ω）＝│A （j ω）│e j φ(ω) (2-1) 这里│A （j ω）│为传递函数的模，φ(ω)为其相位角。 此外，在滤波电路中关心的另一个量是时延τ（ω），它定义为 τ（ω）＝- (2-2) 通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应φ(ω)作线性变化，即时延响应τ（ω）为常数时，输出信号才可能避免失真。 2.2滤波电路的分类 对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。 理想滤波电路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（│A （j ω）│＝０）。通常通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以 V i 图2-1 滤波电路的一般结构 )() (s d d ω ω?
￥ 实验八 有源滤波器的设计 一．实验目的 1． 学习有源滤波器的设计方法。 2． 掌握有源滤波器的安装与调试方法。 3． 了解电阻、电容和Q 值对滤波器性能的影响。 ; 二．预习要求 1． 根据滤波器的技术指标要求，选用滤波器电路，计算电路中各元件的数值。设计出 满足技术指标要求的滤波器。 2. 根据设计与计算的结果，写出设计报告。 3. 制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。 三．设计方法 ， 有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： n c uo u A j A 21)(??? ? ??+= ωωω ， n=1，2，3，. . . （1） 写成： n c uo u A j A 211) (??? ? ??+=ωωω （2） )(ωj A u 其中A uo 为通带内的电压放大倍数， C A uo 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当=0时，（2）式有最大值1； 。 =C 时，（2）式等于，即A u 衰减了 n=2 3dB ；n 取得越大，随着的增加，滤波器 n=8 的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性 越接近于理想特性。如图1所示。 0 C
当 >> C 时， n c uo u A j A ??? ? ??≈ωωω1 )( （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线 两边取对数，得： lg 20c uo u n A j A ωω ωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： 20ndB/十倍频或6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 [ 表1列出了归一化的、n 为1 ~ 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 n 归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式 1 1+L s 2 122++L L s s 》 3 )1()1(2+?++L L L s s s 4 )184776.1()176537.0(2 2++?++L L L L s s s s 5 )1()161803.1()161807.0(22+?++?++L L L L L s s s s s 6 )193185.1()12()151764.0(222++?++?++L L L L L L s s s s s s [ 7 )1()180194.1()124698.1()144504.0(2 22+?++?++?++L L L L L L L s s s s s s s 8 )196157.1()166294.1()111114.1()139018.0(2222++?++?++?++L L L L L L L L s s s s s s s s 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，S L = c s ω， C 是低通 滤波器的截止频率。 对于一阶低通滤波器，其传递函数： c c uo u s A s A ωω+= )( （5） 归一化的传递函数： 1 )(+= L uo L u s A s A （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数：2 22)(c c c uo u s Q s A s A ωωω++ = （7） >