有源带通滤波器设计

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1、长沙学院课程设计说明书题目有源带通滤波器电路设计系（部）电子与通信工程系专业（班级）姓名学号指导教师起止日期模拟电子技术课程设计任务书系（部）：电子与通信工程系专业：电气工程及其自动化指导教师：设计内容及要求并据比艮片 I 木亠乂口召 0 Lj 1 魁厶夕啣札为9,e-变tw 带。畑中狀的频大ett其沁计 Z号敲理值图数所。 0H信钏原 Q 理参明理 10将罰作算原及说原昭器蟀工计电件例作初大！!的并计元举工。胖放眇路V设路；的书意部导系日月年长沙学院课程设计鉴定表姓名学号专业班级设计题目有源带通滤波器指导教师指导教师意见评定等级：_

2、教师签名：日期：_答辩小组意见:评定等级：_答辩小组长签名：日期：教研室意见:教研室主任签名：日期：_系（部）意见:系主任签名：日期：说明课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；目录目录4第一章设计要求41.基本要求5第二章方案选择及原理分析62.1.方案选择62.2 原理分析8第三章电路设计93.1实现电路 93.2参数设计 93.3电路仿真 101. 仿真步骤及结果102.结果分析10第四章仿真数据及处理11第五章结论 11参考文献14关键词：示波器第一章设计要求1. 基本要求1、设计一个中心频率为2100HZ,通频带为1000HZ的带通滤波器2、（1）根据技术参数

3、设计电原理图;（2）计算并选择电路元件及参数（含电源变压器）；（3）仿真调试电路；（4）举例说明所设计的有源高通滤波器的广泛应用，简要说明电路的工作原理第二章方案选择及原理分析2.1.方案选择滤波器：滤波器在电子电路中是一种对干扰信号或是无用的信号进行滤除的一种装置，包括电抗性元件L、C构成的无源滤波器、由集成运算放大器组成的有源滤波放大器，以及三极管滤波器等。滤波器分类：按滤波器的组成元件的不同可以分为无源滤波器和有源滤波器。按照滤波器的频率特性不同，滤波器通常可以分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干

4、扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。巴特沃斯响应(最平坦响应)：巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为_3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。切贝雪夫响应：在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就

5、可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。H (js )表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。频率特性H ( js )是一个复函数，其幅值A (s )称为幅频特性，其幅角(w)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。常用的滤波器有有源和无源两种，无源滤波器即为由无源原件组成如L、R和C组成。下图为一阶RC 低通滤波电路。RO1I.O+十图阶RC低通滤波电路其幅频特性和相频特性如下图二幅频特性和相频特性无源滤波器电路的通带放大倍数和其截止

6、频率都随负载而变化，这一点不符合信号处理的要求，因而产生有源滤波电路。有源滤波器有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。下图为简单的有源一阶滤波器。瞬高連-MlI图三RC有源滤波器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。由集成和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，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

7、弱信号检测电路中。有源滤波器的性能更加好.综合以上分析，本次设计选用有源滤波器。2.2原理分析本实验要求设计带通滤波，设计采用有源二阶网络完成。带通滤波器是由高通RC环节和低通RC环节组成。要将高通的下限截止频率匕设置小于低通的上限截止频率匕。设计如图：图1有源带通滤波器在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是RC元件的组合，在分析时利用“拉普拉斯”变换将电流电压变成“像函数”同时引入运算阻抗代替无源元件RC,求解有源滤波器的传递函数。将信号从时域转变到频域，输入输出信号都可分解成若干频率信号。传递函数：错误!未找到引用源。（2-1-1）它有幅频特性错误!未找到引

8、用源。，相频特性错误!未找到引用源。对于有源滤波器利用运放实现放大作用，所以RC环节实现滤波功能。其中有n个RC滤波环节就为n阶滤波，越多越好！运放使滤波器与负载隔离，增强了带负载的能力。图四带通滤波器电路图二阶有源模拟带通滤波器电路，如图四所示。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。第三章电路设计3.1实现电路图中Rl、C1组成低通网络，R3、C2组成高通网络，A、R4、R5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3

9、.2参数设计up为同相比例运算电路的输入，比例系数为:A uf按照设计要求，电路性能具体参数如下:增益：A up=（R4+R5）/R4R1B中心频率:1f =0 2兀R C 2I 21/11、（R + R ）=210013通带带宽:品质因素:1 12 RB= （+）=1000C R R R R1234fo 2100Q= =2.1 B 1000因为已知中心频率和通带带宽，假定电容为10nF，R为60KQ设和R4的比例为3.448。则:f0右 R X （1 X108）2 218 x 1041、+ ） =2100R1/125、B=1(+-)=10001 x 10-8 8 x 104 R R23结合两

11、Hz此处输出，信号发生衰减土J- .Mfi kHzMagnrtuciePliaseH-DrbontalRjewerseVerticalSave I Set. . I裁 Bode Plotter-XBPl(3) f=2800Hz通频带设计为1600-2600,此处输入频率在频带之外，输出，信号发生衰减Bade Plotter-XBPl空!王2.S04 kHz三| 卜柠 |+當 Out-2. 结果分析当输出信号频率为2111Hz时，输出信号幅值为0。当输入信号频率为1688Hz时，输出信号的幅值衰减到了-2.9。当输出信号的幅值为2800Hz时，输出信号的幅值衰减到了-2.75。从上面的仿真结果可

12、知，设计的滤波器可以允许频率为中心频率2100Hz左右的信号通过，而在通带之外的信号则不能通过。第四章仿真数据及处理7点输入电压12V。通过对电路仿真图的观察，用示波器和波特仪观察实验数据可得：V =1V, f=lkHz ； 4 点输入电压-12V, pp根据幅频特性图：中心频率 y=0.009dB上限频率 y1=-2.75dB2111 - 2100f =2.111kHz 误差Af =0.0050 0 21002800-2600f =2.8kHz 误差Af =0.095hh 2600上限频率 y =-2.906dB f =1.688kHz 误差 Af = 1688-1600 = 0.0552

13、 L L 1600实验数据在误差范围内,但不是最好的一组数据。为使实验达到给出的理论数据,应还尽量调整实验器材的参数,直到达到最适合为止。结论本课题主要是要完成对带通滤波器的电路设计。带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。虽然由集成运放和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻，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等优点。但是因其品质因素Q值无法做的很大，也就导致其通频带宽度无法做的很窄，造成了该滤波器对频率的选择性不是很好，对干扰信号的抑制能力也不是很强，所以在选择设计滤波器方案的同时，要注意结合实际情况，在满足实际要求的状态下合理选用滤波器的设计方案。本次课程设计主要是应用模拟电路知识完成二阶有源滤波器的设计。该电路并不复杂，实验中要融会贯通所学知识，充分考虑元器件成本和可操作性，设计出最合理最简单最实用的电路。实验过程中遇到了很多问题，通过一步步

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