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1、清华大学 实验课程设计报告课 程: 电子技术综合实验 题 目: 程控滤波器设计与制作 专业班级： 电子信息工程2012级 学 号： 学生姓名： 指导教师： 完成日期: 2015 年 6 月 目 录摘 要11 绪论21.1 研究目的和意义22滤波器的原理和结构22.1 有源通用滤波器的结构22.1.1有源低通滤波器的设计（LP）22.1.2有源高通滤波器的设计（HP）32.1.3有源带通滤波器的设计（BP）32.1.4有源带阻滤波器的设计（BE）33控制电路的设计43.1 有源RC低通、高通、带通和带阻滤波器预置和切换43.2有源RC滤波器通带截止频率的控制54系统硬件电路设计64.1总体设计思
2、路64.2 有源RC通用滤波器阶数的确定:74.3电阻和电容的确定：74.4有源RC滤波器反馈电阻RF1、RF2、RF3的确定74.5电容、电阻的精度85 系统软件设计85.1 单片机内存单元分配：86 实验结果及分析106.1测试图106.2测试表格106.3 误差分析:11结束语13I程控滤波器设计与制作专业：电子信息工程 班级：201202班 作者：* 指导老师：*摘 要 什么是滤波器呢？从广义上来说，凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器，在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，从某种意义上来说滤波器的发展进程就代表了电子业的发展进程，在所有的电子部件中，使用最多，技
3、术最为复杂的要算滤波器。滤波器的优劣直接决定产品的优势，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。我国电子的行业还处于发展阶段，相对于发达国家我们还有不小的差距，所以我们必须投入更大的女里改变这一现状，从而做到不求人，只求己。本设计由高通部分（HP）和低通部分组成（LP），由高通和低通分别组成带通（BP）和带阻（BE）。并用单片机控制电子开关CD4066，可实现预置和显示低通、高通、带通和带阻滤波器预置和切换。低通部分选用巴特沃斯有源低通滤波器，高通部分则将电容电阻互换即可实现。通带截止频率的控制采用固定电容，切换点组的方式。关键词：高通；低通；带通；带阻；11 绪论1.1 研究目的和意义
4、滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而
5、不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。2滤波器的原理和结构2.1 有源通用滤波器的结构2.1.1有源低通滤波器的设计（LP）下图为有源二阶低通滤波器的电路图和幅频特性曲线图。其幅频特性顶部平坦，但其过渡带的陡度只有40分贝/十倍频程，滤波效果不理想。若将三个二阶滤波器串联，就可构成一个6阶有源低通滤波器，其幅频特性
6、顶部与二阶有源低通滤波器一样，但其过渡带的陡度有120分贝/十倍频程，滤波效果非常好，接近理想特性。电路如图（1）所示。 2.1.2有源高通滤波器的设计（HP）将有源低通滤波器中的电阻和电容对换，即可实现有源高通滤波器。电路参见附一：电路原理图。2.1.3有源带通滤波器的设计（BP） 将有源高通滤波器和有源低通滤波器进行串联来实现有源RC带通滤波器。电路参见附一：电路原理图。2.1.4有源带阻滤波器的设计（BE） 将有源高通滤波器和有源低通滤波器进行串联来实现有源RC带阻滤器。电路参见附一：电路原理图。有源带通滤波器和有源带阻滤波器是由有源低通滤波器、有源高通滤波器的串联、并联构成的，因此系统
7、设计的关键是有源高通滤波器和有源低通滤波器。其性能的好坏影响到有源带通滤波器、有源带阻滤波器的性能。阶巴特沃斯低通滤波器电路如图(2)所示。 图（2）通过EWB软件仿真，得到有源RC低通契比雪夫(1)、有源RC低通巴特沃斯(2)、有源RC低通贝塞耳(3)滤波器幅频特性曲线如图（3）所示。阶巴特沃斯低通滤波器EWB电路仿真结果参见附三：电路仿真结果通过对图（3）中的三种幅频特性曲线的比较和分析，巴特沃斯有源RC低通滤波器的顶部平坦，通带特性好，该滤波器在过渡带衰减的陡度大，可获得陡峭的频率特性。因此，选用巴特沃斯有源RC低通滤波器能达到较好的滤波效果。图（3）3控制电路的设计3.1 有源RC低通
8、、高通、带通和带阻滤波器预置和切换用单片机控制电子开关CD4066，可实现预置和显示低通、高通、带通和带阻滤波器预置和切换。该方案由低通和高通两个模块组成，方框图如图(4)所示 k2、k3、k4断开，k1闭合时，预置为有源RC低通滤波器；k1、k2断开，k3、k4闭合时, 预置为有源RC高通滤波器；k1、k3断开，k2、k4闭合时, 预置为有源RC带通滤波器；k2断开，k1、k3、k4闭合时, 预置为有源RC带阻滤波器；图(4)3.2有源RC滤波器通带截止频率的控制要实现滤波器的截止频率在1kHz20kHz范围内按1kHz步进，有两种方法：1、 固定电阻，切换电容由于电容的系列值较电阻少，且电
9、容的选取难，如果近似选取，产生的误差较大，很难达到题目的要求。2、 固定电容，切换电阻由于电阻系列值较多，容易选取，且价格低，元器件参数的选择和控制方便。3、综合考虑比较以上两种方法，我们选用第二种。4、电阻阻值的改变是通过接通或断开电子开关来选取不同的电阻或两个以上电阻并联来实现的。电路图如图(4)所示。图中Kia、Kib、Kic、Kid、Kie为电子开关。如果采用20个电阻并联独立切换，虽然满足要求，但这种方法需要的电阻及开关多。如果电阻选取适当，通过设定Kia、Kib、Kic、Kid、Kie电子开关的不同接通状态,也可以实现通带截止频率可在1kHz20kHz范围内步进可调。： 图 (4)
10、经理论计算，各开关状态及通带截止频率的关系如下表所示：（表中各开关状态为“1”，表示开关接通，为“0”表示开关断开）开关状态截止频率（kHz）KiaKibKicKidKie100001010002110003001004101005011006111007000108100109000011010001110100112110011300101141010115011011611101170001118100111901011204系统硬件电路设计4.1总体设计思路 有源RC通用滤波器设计方框图如图(5)所示：通用滤波器信号输入信号输出 电子开关 键盘显示电路单片机图(5)4.2 有源RC通用
11、滤波器阶数的确定: 对于巴特沃斯滤波器其幅频特性一般表达式为: (为通带截止频率，f为输入信号的频率，n为阶数).根据题目的要求f/fo=2 (高通f/fo=1/2) 从通带截止频率处到2倍通带截止频率处衰减32db以上，则有： 得到：n=5.3(n取整数)经上述计算至少需要6阶巴特沃斯滤波器才符合要求。4.3电阻和电容的确定：设通带截止频率为f01kHz。根据fo=1/（2RC）= 1000(kHz)，考虑电阻、电容的系列值，首先选取 RC滤波网络中的电容为C=2200PF。 当通带截止频率f01KHz时，电阻R为72k； 当通带截止频率f02KHz时，电阻R为36K； 当通带截止频率f04
12、KHz时，电阻R为18k；当通带截止频率f08KHz时，电阻R为9k；当通带截止频率f010KHz时，电阻R为7.2k；4.4有源RC滤波器反馈电阻RF1、RF2、RF3的确定为了使巴特沃斯滤波器幅频特性在在其顶部平坦，同时满足过渡带的频率特性要求，对各级的Q值设定有严格的规定：7Q1=0.517，Q2=0.707，Q3=1.931若取R=10K， 得到 RF1=680， RF2=5.86K， RF3=14.82K,则三级有源RC二阶滤波器的放大倍数为Au=A1A2A3=(3-1/Q1) (3-1/Q2) (3-1/Q3)=4.19 为了满足电压放大倍数A=2倍的要求，必需在输入端增加一级放大
13、器，放大器放大倍数应为2/4.1的衰减电路。4.5电容、电阻的精度为了达到精确和稳定的要求，必须保证电容、电阻的精度，电阻通常应选取精度优于1%，电容应采用高稳定度的聚苯乙烯电容。5 系统软件设计5.1 单片机内存单元分配：内存单元 存放内容72H对76H、75H单元内从1到20循环计数数据BCD码转换的低位73H对76H，75H单元内从1到20循环计数数据BCD码转换的高位74H对功能键K5从0到3循环计数75H对高通状态加减键计数（按K3键计数加1，按K4键计数减1）76H对低通状态加减键计数（按K1键计数加1，按K2键计数减1）77H存放K1，K2，K3，K4，K5对应的键值30H，31H，32H，33H，34H78H7FH显示缓冲区单片机
