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1、有源带通滤波器的设计与测试1滤波器的简介在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号， 有些频率是不需要的干扰信号。如果这两个信号在频率上有较大的差别，就可以 用滤波的方法将所需要的信号滤出。滤波电路的作用是允许模拟输入信号中某一 部分频率的信号通过，而阻断另一部分频率的信号通过。1.1滤波器的发展历程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；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 究和生产历来为各国所重视。1917年美国和德国科学家分别发明了
2、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，导致了 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
3、，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。1.2滤波器的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，只是让大家了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。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波器和
4、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。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形 成一个树形结构。（2）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）按频率通带范围滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别。1.3有源滤波器的介绍有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电 感、频率变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗 变换器（PIC）、负阻抗倒置器（
5、NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外， 还有病态元件极子和零子。1965年单片集成运算放大器问世后，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 了有源C滤波器：就是滤波器由C和运放组成。这样容易集成，
6、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。但它有一个主要问题：由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通 道，使稳定性成为难题。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用连续的开关电阻 （SR）去替代有源RC滤波器中的电阻R，就构成了 SRC滤波器，它仍属于模拟滤 波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。总之，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
7、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%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。2有源带通滤波器的设计带通滤波器的作用是允许某一段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。二阶压控型有源带通滤波器是由 RC低通滤波器和RC高通滤波器串联而成，从而实现了 “带通滤波”的要求。2.1有源带通滤波器的工
8、作原理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。典型的带通滤波器可以由RC低通滤波器和RC高 通滤波器串联而成，从而实现了 “带通滤波”的要求。二阶压控型有源带通滤波 器原理框图如图2.1所示。UiU0隔通. 一图2.1二阶压控型有源带通滤波器原理框图有源带通滤波器的具体电路如图2.2所示。由此电路可知，电阻R1与C组成 低通滤波器，后面一个电容C与电阻R2组成高通滤波器，二者串联在一起组成带 通滤波器。除此之外，R4与Rf组成同相比例运算电路，R3则是为改善电路性能
9、而引入的反馈。ft fo图2.2有源带通滤波器电路图图2.3幅频特性曲线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。其有较好的幅频特性，幅频特性曲 线如图2.3所示。2.2有源带通滤波器的参数计算电路性能参数：叫u 左疔国R C虬氐R及*Auf =1+当q=C2=C, RR3=R, R2=2R时，电路的传递函数：Au（s）=Auf（s）（1.1）设中心频率f0=,电压放大倍数A广错误！未指定书签。（1.2）当f=f0时，得出通带放大倍数A =QA f（1.3）使式（1.2）分母的模为，即使式（1.2）的分母虚部的绝对值为1，即解方
10、程取 正根，就可得到下限截止频率fp1和上限截止频率fp2分别为fp1=（3-Auf） （1.4）fp2= + （3-Auf） （1.5）通频带为：f =f -f =|3-A |f二bw p2 pluf 0根据课设要求：中心频率为f=1000Hz，通带电压放大倍数Aup=2,品质因数 Q=0.707.根据式（1.3）计算出Auf=2.83，可以将其近似为Auf=3.再根据式（1.4） 和（1.5）可以设通带范围为50Hz-20KHz。根据中心频率选择0.01uF的电容，Rf=2R4，取R4=1.5kQ则解得：R300Q R2=4.5kQ R3=3 kQ R4=1.5kQ R3kQ CC2=0.
11、01uF在仿真的基础上，对参数进行微调得：R1=280 Q R2=4.5 kQ R3=3.3 kQ R4=1.5 kQ R5=3.2 kQ C0.01uFC2=0.012 uF3二阶有源带通滤波器仿真测试本次课设的电路仿真基于仿真软件multisim 11.0。3.1二阶有源带通滤波器仿真电路:U1：:LM7815CTLiiE如晒 VaLTA&E . . .J- 3N246+ ：220 yp k.，50 Hz衬.0。：R1 :2800：CJC14：1：000|jF : 0：.33pF-C2Z=1：000iiF Z0：.33pFL LI T- UUVOLTAGE - LIIE . . .-iJT
12、EJ?Q2LM7915CTVDD 0V：R4 :l.5kftC9 -:0.012iF：C5C7-Z0：.1|iF：:毛22叩f=2：:14001CBZ0：.1|iF： 卞的此公:Rf 1: 312kfi：AAA4侦钏N4001OUTVDD WVDD 0VVDD 0VR24.5kl-C10TOIjjF：V2,T Vrms()20kHz上?:X3kS图3.1基于multisim 11.0的有源带通滤波器的仿真电路3.2仿真记录结果图3.2下限截止频率的波特图如图3.2所示，当输入频率为49.452HZ时，电压放大倍数为-3.011dB。在误 差范围内满足“下限截止频率为50HZ”的要求。图3.3上
13、线截止频率的波特图如图3.3所示，当输入频率为20.171KHz时，电压放大倍数为-3.001dB。在误 差范围内满足“上限截止频率为20KHz”的要求。图3.4中心频率的波特图如图3.4所示，当输入频率为1.011KHZ时，电压放大倍数为-2.5dB。在误差范围内满足“带内电压变化小于0.5dB”的要求。4误差分析任何实验过程都难免存在误差，在课设过程中，我们要做的是尽量控制理论 误差，使理论设计误差不能影响实验结果。在制作调试过程中，我们要控制实验 误差，不能使误差过大而影响实验结果。4.1元器件误差由于计算得出的元器件参数比较理想化，而实际中用的原件很难匹配所有的 参数，如滤波器中的，取
14、值为280Q，现实中无法买到阻值为280Q的电阻，只能 通过电阻的串并联去尽可能的接近它。而电阻一般有5%的误差，本身无法达到精确 匹配。至于电容，误差更大，远不止5% （电容的误差在20%内便为合格）。4.2仪器误差所有测量仪器都有一定误差，例如函数发生器有50Q的内阻，示波器的本身 误差示数误差以及波形的抖动造成的误差。5实验总结与课设心得这次课程设计中不仅验证了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事 情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计， 和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了宽容，学会了理解， 也学会了做人与处世。课程设计是我们专
15、业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事 职业工作前一个必不可少的过程.“千里之行始于足下”，我今天认真的进行课程 设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实 的基础。模拟电子技术课程设计，这是我大学的又一个课程设计，对于我个人来说，意 义重大。在这次课程设计中，通过查找相关书籍和相关资料，我增长了不少相关知 识。阅读相关书籍后，确定各种电路的模型。通过大量的演算，得出各类元件的参 数，验算求证。运用Multisim 11.0仿真软件，绘制相应的电路图，对计算出的参数进行 验证。反复推导，使参数更加符合要求。对 Multisim 11.0在本专业的应用有了 新的认识，可以在以后的基础课程学习和专业课程上用它来解决很多问题，更好的 掌握Multisim 11.0的使用方法和技巧，
