高通滤波器 设计

课程(论文)说明书 题目:有源高通滤波器 院(系):电子与自动化学院 专业:电子信息科学与技术 学生姓名: 学号: 指导老师: 2011年1月19日 摘要 本课程设计利用巴特沃夫滤波器设计方法设计四阶高通有源滤波器,通过RC电路与NE5532集成运放实现。经过调试,实现课程设计要求。 关键字:高通滤波器,四阶,NE5532,巴特沃夫 引言 (4) 1.设计任务及要求 (4) 2.框图 (4) 3.方案论证和选择 (4) 4.原理图设计 (5) 4.1理论分析 (6) 4.2实际电路 (7) 5.元件及参数的选择 (8) 5.1器件的选择 (8) 5.2参数的选择 (9) 6.电路板的制作 (9) 6.1绘制原理图 (9) 6.2制作P C B (10) 7.调试过程 (10) 8. 测试结果与分析 (10) 9.总结与心得 (13) 参考文献 (14) 引言 本课程设计利用RC网络与运放通过巴特沃夫滤波器设计方法设计四阶高通有源滤波器。 1、设计任务及要求 设计一个高通滤波器 要求: 1)截止频率fc=100Hz; 2)增益Av=2; 3)阻带衰减速率大于等于40dB/10倍频程; 4)调整并滤波器的性能参数及幅频特性。 2、方案框图 图2.1 RC有源滤波总框图 1)RC网络 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)放大器 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。 3)反馈网络 将输出信号的一部分或全部通过反馈网络输入端,称为反馈,其中的电路称为反馈网络,反馈网络分为正、负反馈。反馈对滤波器的稳定性有至关重要的作用。 3、方案论证和选择 一个理想的滤波器应在要求的通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,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。 用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高,输入电阻低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用,这种滤波器的频率范围约为3Hz-106KHz,频率精度为+(3-5)%,并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。 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。滤波器等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。 1)关于滤波器类型的选择 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。当要求带通滤波器的通带较宽时,可用低通滤波器和高通滤波器合成,这比单纯用带通滤波器要好。 所以本课程设计使用压控电压源型滤波器。 2)级数选择 滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。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)。 由于设计要求阻带衰减速率大于等于40dB/10倍频程,故使用四阶较好,调试既方便,对设计指标也有较多的宽裕。 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)AefH,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100kΩ,则应选低漂移高输入阻抗的运放。 4、原理图设计 4.1、理论分析 二阶滤波器的传递函数为: 巴特沃夫设计方法可知:截止频率为Wc,巴特沃夫二阶高通滤波器传递函数为: 其中A为增益。 通过查询归一化频率(Wc=1)时的B和C,可得到巴特沃夫二阶高通滤波器的传递函数。 下图为一二阶有源高通滤波器,由一个二阶高通滤波器和同向比例放大电路组成 图4.1 其频率特性为: 图4.2 图4.3 具有理想特性的滤波器是很难实现的,只能用实际特性去逼近理想的,常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦响应和切比雪夫等波动响应。在不许带内有波动时,用巴特沃斯响应较好,如果给定带内所允许的纹波差,则切比雪夫响应较好。 因此本设计用巴特沃斯设计方法。 查询相关资料可知:四阶滤波器可由两个二阶滤波器级联而成,而四阶滤波器的衰减速率>=40dB/10倍频,满足设计要求。 4.2、实际电路 首先通过查表得到四阶巴特沃夫滤波器的归一化频率的B和C系数: 知道增益为A=2,截频为Wc=100Hz,可得级联的各个二阶滤波器的传递函数: 其中:Wc=2*∏*100 用图4.1实现传递函数,查如下公式可得个电容,电阻参数: 可得: 所以由此计算出第一节的二阶滤波器R1≈14.7kΩ,R2=17.2 kΩ,R3=R4=34.4 kΩ第二节滤波器R1≈14.7kΩ,R2=17.2 kΩ,R3=R4=0Ω 由此,可画出原理图: 5、元件及参数的选择 5.1、器件的选择 电容为0.1uf(104)瓷片电容; 电阻为1/4瓦1%精度金属膜电阻; 运放为NE5532; NE5532特点: ?小信号带宽:10MHZ ?输出驱动能力:600Ω,10V有效值 ?输入噪声电压:5nV/√Hz(典型值) ?直流电压增益:50000 ?交流电压增益:2200-10KHZ ?功率带宽: 140KHZ ?转换速率: 9V/μs ?大的电源电压范围:±3V-±20V ?单位增益补偿 5.2、参数的选择 主要是选择电阻,为了达到所计算的电阻,R1有10 kΩ+10 kΩ可调电阻组成;同理R2亦如此。R3=R4由30 kΩ+10 kΩ可调电阻组成。 6、电路板的制作 6.1、绘制原理图 用Protel Dxp 2004绘制,原理图如下: 找对封装后导入PCB,制作PCB如下: 6.2、制作PCB 7、调试过程 1)观察 板子做成后,阻值调到理论值,输入信号正弦100Hz,1Vpp,可是在截频处(3dB 即应为1.414V)却为850mv,可知理论值跟实际值有出入。当信号调到1kHz后,输出2.02V,20Hz时,26mv,可知确实为高通滤波器,只是截频没调对。 2)调截频 把信号源调到正弦100Hz,1Vpp,观察示波器;先调大R1,发现输出信号变小,于是调小R1;调大R2,发现输出信号变大,于是调到合适位置;通过相互调节,把此时的输出信号调到1.41V。 4)整体观察 通过把增益,截频调对后,选择在0-10 kΩ频带内观察输出信号的变化。并记录不同频率时输入信号的峰峰值。(输入1Vpp)。 8、测试结果与分析 输入信号f(Hz),1Vpp,改变输入信号频率f,测输出信号峰峰值Vopp。得到如下结果: 绘制幅频特性曲线如下: 由曲线分析可得,在阻带的衰减速率>40dB/十倍频程。 9、总结与体会 通过此次课程设计,学会了如何有效地查询相关资料用以解决问题,充分利用了网络资源,初步了解了滤波器巴特沃夫的设计方法。在设计之初与同学交流,相互学习,遇到不明白的问题时,共同讨论分析,请教老师,这些过程很值得珍惜。 用protel画原理图,PCB过程中,锻炼了自己的耐心与细心,保证了原理图到PCB,封装都是正确的,避免了重复制板。 调试过程中,遇到了许多问题,实际值跟理论值的差距让我一时无法解释,但通过与同学老师的交流,慢慢体会到了,理想与实际,模电与数电的差别。模电重要在于调试,受到温度等的影响较大。这点深有体会。 感谢学校给了我这次机会,锻炼了我的动手能力。让我意识到自己在模电上很多知识的漏洞,以后该多钻研一下,同时也感谢指导老师在设计过程中的辅导以及同学的帮助。 参考文献 [1] 康华光《电子技术基础模电部分》第五版高等教育出版社 2006 [2]吴运昌《模拟电子技术》华南理工大学出版社 2008 [3] 方大千.实用电子制作精选.科学技术文献出版社 2008