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1、XXX毕业设计报告有源滤波器设计学生姓名杜超超所 在 系电子信息工程系班 级五电0701班专 业应用电子技术指导教师XXX2011年10月20日2摘要摘 要 本设计利用模拟电路和数字电路相关知识，根据设定中心频率，采用开环增益80dB以上的集成运算放大器，设计二阶低通、高通、带阻、带通滤波器。利用Multisim7仿真出各种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达到设计要求。主要设计内容：1确定有源滤波器的中心频率；2设计低通、高通、带阻、带通滤波器；3测量设计的有源滤波器的幅频特性；4制作与调试关键词：低通、高通、带阻、带通滤波器目录目 录第1章 概 论11
2、.1 选题依据11.2 有源滤波器的发展概况及现状11.3有源滤波器与无源滤波器的优缺点21.4滤波器的分类21.5 设计的主要内容2第2章 有源滤波器的作用与结构32.1 滤波器的基本概念32.2 各种滤波器的作用和结构42.2.1低通滤波器(LPF)42.2.2高通滤波器（HPF）52.2.3 带通滤波器（BPF）52.2.4 带阻滤波器（BEF）6第3章 有源滤波器设计83.1低通滤波器设计83.1.1参数的计算83.1.2 仿真及幅频特性测量83.2 高通滤波器的设计93.2.1参数的计算93.2.2仿真及幅频特性测量103.3带通滤波器的设计103.3.1 参数的计算103.3.2
3、仿真及幅频特性测量113.4 带阻滤波器的设计123.4.1参数的计算123.4.2仿真及幅频特性测量13第四章 制作与调试154.1制作154.2调试154.2.1低通滤波器调试154.2.2高通滤波器调试154.2.3带通滤波器调试164.2.4带阻滤波器的调试16第5章 总 结17致谢18参考文献19附 录2011第1章 概论第1章 概 论1.1 选题依据 根据所学的专业和自己的爱好，采用数电、模电知识来完成有源滤波器的设计。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和
4、生产历来为各国所重视。1.2 有源滤波器的发展概况及现状 1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用
5、范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15
6、%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。1.3有源滤波器与无源滤波器的优缺点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。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
7、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600千瓦。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。1.4滤波器的分类 滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种。（1）按处理信号类型分类，可分为模拟滤
8、波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。（2）按选择物理量分类-按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围分类-按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波
9、器，因为它有周期性的通带和阻带。1.5 设计的主要任务 本次设计主要利用RC串并联来组成各种频率的滤波电路，必须实现低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波四项功能；要求选用放大增益大于80dB以上的集成运放 ；通频带自定义；电路实现后测量出各个滤波电路的频率特性。8第2章 有源滤波器的作用和结构第2章 有源滤波器的作用与结构2.1 滤波器的基本概念由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可
10、分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)四种滤波器，它们的幅频特性如图2-1所示。由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。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。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。（a）低通 （b）高通(c) 带通 （d）带阻图21四种滤波电路的幅频特性示意图2.2 各种滤波器的作用和结构2.2.1低通滤波器(LPF)1. 低通滤波器特性低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图22
11、（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图22（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。(a)电路图 (b)频率特性图22 二阶低通滤波器2电路性能参数二阶低通滤波器的通带增益: (2-1) 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率: (2-2)品质因数Q,的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状: (2-3)当 时，Q1，在 处的电压增益将大于 ，幅频特性在 处将抬高如图2-2所示。当 3时，Q=，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频
12、端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。2.2.2 高通滤波器（HPF） 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。只要将图22低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图23(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特性。(a) 电路图 (b) 幅频特性图23 二阶高通滤波器 当 时，幅频特性曲线的斜率为+40 dB/dec；当 3时，电路自激。电路性能参数、各量的函义同二阶低通滤波器。图23（b）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲
13、线有“镜像”关系。2.2.3 带通滤波器（BPF）1.带通滤波器特性带通滤波器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，注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。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24所示。(a) 带通滤波器原理框图（b）电路图 (c)幅频特性图2-4 二阶带通滤波器2.电路性能参数通带增益： (2-4) 中心频率： (2-5) 通带宽度： (2-6)品质因素： (2-7)此电路的优点是改变和的比例就可改变频宽而不影响中心频率。2.2.4 带阻滤波器（BEF）1.带阻滤波器带阻滤波器的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过，如图25（a）所示。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF (a)电路图(b)频率特性 (c)原理框图图25 二阶带阻滤波器2.电路性能参数通带增益： (2-8)中心频率: (2-9)带阻宽度: (2-10) 品质因数： (2-11)
