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1、湖南人文科技学院毕业设计- 1 -二阶 RC 有源滤波器的设计摘 要：滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制（或衰减）无用频率信号的电子电路或装置，在工程上常用它来进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。有源滤波器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入阻抗都很高，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，但因受运算放大器频率限制，这种滤波器主要用于低频范围。本次毕业设计主要是在所学模拟电子技术基础 、 集成电路等专业知识的基础上研究和设计几种典型的二阶有源滤波电路：巴特沃斯二阶有源低通滤波器、巴特沃斯二阶有源高通滤波器、二阶有源带通滤波器，研究和设计其电路结构
2、、传递函数，并对有关参数进行计算，再利用 multisim 软件进行仿真，组装和调试各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，本次设计的二阶 RC 有源滤波器各测量参数均与理论计算值相符，通频带的频率响应曲线平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，衰减率可达到|-40Db/10oct|,滤波效果很理想。关键词：有源滤波器 二阶 RC 频率 Abstract：Filter is a kind of can make useful frequency signal through,While suppressing ( or attenuation) useless frequency s
3、ignal electronic circuit or device, commonly used in engineering to signal processing, data transfer or suppression of interference. Active power filter is composed of integrated operational amplifier, R, C composition, its open loop voltage gain and input impedance is very high, and low output impe
4、dance, an active filter circuit also has a voltage amplifying and buffering effect, but due to operational amplifier frequency limit, this filter is mainly used in low frequency range.This graduation design is mainly in the“ analog electronic technology“,“ integrated circuit“ and other professional
5、knowledge based on research and design of several typical two order active filter circuit: Butterworth two, Butterworth two step active low pass filter active high-pass filter, two step active band-pass filter, research and design of its circuit structure, transfer function, and the related paramete
6、rs are calculated, then the use of Multisim software simulation, assembly and commissioning of various active filter, explore its amplitude frequency characteristic.After simulation and debugging, the design of the two order active RC filter the measurement parameters and calculation results, the pa
7、ss band frequency response curve is flat, no ups and downs, and in the stop band is decreased to zero, attenuation rate can reach | - 40dB / 10oct |, filtering effect is very ideal.Key words: Active power filter Two order RC Frequency Signal- 2 -第 1 章 前言1.1 选题依据近现代，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
8、技术领域，滤波器的应用极为广泛，滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤 波器的研究和生产历来为各国所重视。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。滤波器按元件分类可分为无源滤波器与有源滤波器等，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。本次毕业设计，我根据自己所学专业知识和兴趣爱
9、好，采用模拟电子技术和集 成电路等相关知识来完成有源滤波器的设计。1.2 有源滤波器的发展概况及现状1965 年单片集成运算放大器的问世，为有源滤波器开辟了广阔的前景；70 年代初期， 有源滤波器发展引人注目，1978 年单片 RC 有源滤波器问世，为滤波器集成迈进了可喜的 一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了 RC 有源滤波器的频率范围， 一般工作频率为 20kHz 左右，经过补偿后，工作频率也限制在 100kHz 以内。1974 年产生 了更高频的 RC 有源滤波器，使工作频率可达 GB/4（GB 为运放增益与带宽之积） 。由于 R 的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现了
10、有源 C 滤波器：就是滤波器由 C 和运放组 成。这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源 C 滤波器的性能只取决 于电容之比，与电容绝对值无关。 由 RC 有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q 值可达 1000，克服了 RLC 无源滤波器体积大，Q 值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究： 理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集 成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件 的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于 R 存在，集成占芯 片面积大，电阻误差大（20%
11、30%） ，线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管 有这么多问题，RC 有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。1.3 设计技术指标(1) 设计二阶 RC 有源低通滤波器：通带增益 AUF=1.6；品质因数 Q=0.707；截止频 率 fH =400Hz；阻带衰减：不小于-40dB/10oct |；(2) 设计二阶 RC 有源高通滤波器：通带增益 AUF=1.6；品质因数 Q=0.707；截止频 率 fL =2kHz；阻带衰减：不小于-40dB/10oct |；(3) 设计二阶 RC 有源带通滤波器：通带增益 AUF=4；中心频率：fO =1.24kHz；带宽: 800Hz-1.6kHz；
12、 阻带衰减：不小于-40dB/10oct |。湖南人文科技学院毕业设计- 3 -第二章 总方案设计2.1 方案框图 放大器RC 网络反馈网络图 2-1 RC 有源滤波总框图2.2 各部分电路的作用2.2.1 RC 网络的作用在电路中 RC 网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着 至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。 2.2.2 放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3 同相放大器具有输入阻抗非 常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 2.2.3 反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的电
13、路称为反 馈网络，反馈网络分为正、负反馈。2.3 方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的 频带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器 距此有一定的差异，为此我们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波 器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的说明时一般 为-3dB 截止频率） ，通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的衰减速度（即带沿的陡变） 。下面简要介绍设计中的考虑原则。 2.3.1 关于滤波器类型的选择由于巴特沃斯滤波
14、器通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频 带内则逐渐下降为零，在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率的增加而 逐渐减少，趋向负无穷大，本次我选择设计巴特沃斯二阶有源低通滤波器和高通滤波器； 而带通滤波器要求通带较宽时，用低通滤波器和高通滤波器串联组成比直接用环型带通 滤波器要好。- 4 -2.3.2 级数选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的 场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如 压控电压源型二阶滤波器。每一阶低通或高通电路可获得-6dB 每倍频程（-20dB 每十倍 频程）的衰减，每二阶低
15、通或高通电路可获得-12dB 每倍频程（-40dB 每十倍频程）的衰 减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特 性为-mdB 每倍频程（或 mdB 每十倍频程）时，则取级数 n 应满足 n 大于等于 m/6(或 n 大 于等于 m/20)，根据带外衰减特性的要求，我选择二阶滤波器。 2.3.3 运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈以保证 所需滤波特性，运放的开环增应在 80dB 以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的 上限确定，设工作频率的上限为 Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式：BWG 大于等于 （3-5）A
16、efH，式中为滤波通带的传输系数。 如果滤波器的输入信号较小，例如在 10mV 以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作 于超低频，以至使 RC 网络中电阻元件的值超过 100k，则应选低漂移高输入阻抗的运放。 本电路选择了八管脚的 UA741 单运放,其管脚图和内部结构图如下:图 2-2 UA741 引脚图 2.3.4 元器件的选择电容的选择:一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc (c)带内增益 Av，以及品质 因数 Q（二阶低通或高通一般为 0.707） 。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于 限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者 自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配， 而电阻易配，详见附录清单。电阻的选择:根据电容的确定和规定的截止频率和带内增益以及参数计算得的结果和 市场上所出售的情况而选择，详见附录清单。湖南人文科技学院毕业设计- 5 -第三章：有源滤波器的设计3.1 有源滤波器的基本概念由 RC 元件与
