有源带通滤波器设计汇总Word格式.docx
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设计中用RC网络和集成运放组成,组成电路选用LM324不仅可以滤波,还可以进行放大。
关键字:
带通滤波器LM324RC网络
第一章设计要求
1.1基本要求
1、设计带通滤波器。
2、能够实现频带在628Hz—1628Hz的带通滤波。
第二章方案选择及原理分析
2.1.方案选择
滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统,具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。
按电路组成分可分为:
LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器。
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(jω)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(jω)是一个复函数,其幅值A(ω)称为幅频特性,其幅角φ(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。
图一一阶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。
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。
将一个低通滤波器和一个高通滤波器串联即可得到一个带通滤波器。
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。
与一阶RC滤波电路相比,二阶RC滤波电路对通频带外信号的抑制能力更强,滤波效果更好。
二阶RC电路移相范围为180°
,比一阶电路移相范围更大。
二阶RC滤波电路不仅能实现低通和高通滤波特性,还可实现带通滤波特性。
其幅频特性如下所示
图五带通滤波器幅频特性
图中,当ω=ω0时,电压放大倍数最大。
带通滤波器的通频带宽度为BW0.7=ω0/(2πQ)=f0/Q,显然Q值越高,则通频带越窄。
在通频带内滤波器幅度是平坦的,而通带外的各种干扰信号却具有无限抑制能力。
各种带通滤波器总是力求趋近理想矩形特性。
通带截频:
fp=wp/
(2)为通带与过渡带边界点的频率,在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。
阻带截频:
fr=wr/
(2)为阻带与过渡带边界点的频率,在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。
第三章电路设计
3.1实现电路
有源二阶带通滤波器的电路图设计如下所示:
图六二阶有源带通滤波器电路图
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
3.2参数设计
为同相比例运算电路的输入,比例系数为:
当
时,电路的传递函数为:
令中心频率为
电压放大倍数为:
时,得出通带放大倍数为:
经过计算,得到下限截止频率
和上限截止频率
分别为:
已知,通频带为:
设计参数为:
,,
代入以上公式可得:
,
通频带为:
值得注意的是,在设计电路时,首先要根据式(3)确定带通滤波器的中心频率,因为二阶带通滤波器中的元器件比较多,相互干系也比较烦琐。
首先确定中心频率对以后的数值计算会有很大的简化。
为了方便,也可以取R1=R3=R,C1=C2=C,Ra=Rb=R’,如果想设计一个带放大的带通滤波器,可以根据式
(2)或者根据有源带通滤波器的同相放大倍数
在确定了其它数值后适当改变Ra和Rb的值得到你想要的放大倍数。
这里建议不要随意大幅度改变Ra和Rb的值,因为根据式(4)可以看出在确定了其他数值后改变Ra和Rb会影响Q值,而Q值的大小直接影响到电路的工作状态是否稳定。
此外,Q值对元器件数值的大小比较敏感,所以在选择元器件时尽量选取精度较高的器件。
3.3电路仿真
1.仿真步骤及结果
按上述电路图和设计参数连接电路图,得结果如下所示
(1).f=1000Hz
此为中心频率,因为设计参数设计增益为2,所以输出信号较输入放大两倍。
(2).f=100Hz
通频带设计为500-2000,此处输入频率在频带之外,输出,信号发生衰减
(3).f=10000Hz
通频带设计为500-2000,此处输入频率在频带之外,输出,信号发生衰减
2.结果分析
从仿真结果中可以看出,当输入信号频率为1000Hz时,输出信号的幅值放大了两倍,且输出信号与输入信号同相。
当输入信号频率为10000Hz时,输出信号的幅值衰减到了几乎为零,并且输入输出信号的相位不同相。
当输出信号的幅值为100Hz时,此时的输出信号与10000Hz时相同,输出信号的幅值衰减到了几乎为零,并且输入输出信号的相位不同相。
从上面的仿真结果可知,设计的滤波器可以允许频率为中心频率1000Hz左右的信号通过,而在通带之外的信号则不能通过。
说明该滤波器实现了带通滤波功能,该设计方案是可行的。
第四章电路安装与调试
4.1实验安装过程
(1)按电路图列好元器件清单,领好元器件。
(2)按电路图进行焊接。
(3)焊完电路之后检查是否有错焊、虚焊、漏焊之处。
(4)上电调试,观察实验现象。
(5)根据试验中的问题进行相应的检查、改正和改进。
4.2调试结果与分析
经过反复地检查修改,电路能正常显示相应的现象。
。
但由于焊接过程中出现了较多错误多次改正,焊板线路比较凌乱,有一些地方接触不良,所以在后期,实验现象时断时续。
整个实验现象说明,该部分电路设计方案简单有效,是可行的。
其次,由于电路经过多次的改正和重焊,线路有些部位接触不良,连线比较混乱,影响了实验效果。
实验现象说明此设计方案可行,但仍存在不足之处。
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,通过一步步的研究和探索,查阅各种资料,问题终于得到了解决。
在今后的学习和生活中,要注重能力的培养,注重扩大自己的知识面提高动手能力。
参考文献
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