有源低通滤波器的实现100KHZ讲解.docx
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有源低通滤波器的实现100KHZ讲解
电子线路设计(论文)说明书
题目:
有源低通滤波器的设计
院(系):
信息与通信学院
专业:
电子信息工程
学生姓名:
黄翔
学号:
1100220514
指导教师:
王娇
职称:
讲师
2013年11月16日
摘要
低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。
理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移,而在阻带内其幅值应为零。
有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路,它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。
滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快,但RC网络节数越多,元件参数计算越繁琐,电路的调试越困难。
关键词:
低通;放大器;阶数
Abstract
Lowpassfilterallowslowfrequencysignaltopassthroughandsuppressesthehighfrequencycomponentsofsignals.Idealfiltercircuitshouldhavecertainamplitudefrequencyresponseinthepassbandandlinearphaseshift,anditsamplitudeshouldbezerointhestopband.ActivefilterisonethatiscomposedofRCnetworkandamplifyingcircuit.Itisactuallyakindofspecificfrequencyresponseamplifier.Thehighertheordernumberofthefilter,thefastertheamplitudefrequencyattenuationrate.ButtheRCnetworknodenumberisassociatedwiththecomponentsparametercalculationandthedebuggingofthecircuit.
Keywords:
lowpass;Amplifier;Ordernumber
目录
引言1
1原理及设计方案1
1.1滤波器的介绍1
1.2有源滤波器的设计2
1.3方案选择......................................................................................4
2硬件介绍6
3仿真及结果............................................................................................7
4测量结果8
5实验心得与体会9
谢辞11
参考文献12
引言
课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节,是对学生进行的一次综合性专业设计训练。
本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体的一门课程,意在培养学生正确的设计思想方法以及思路,理论联系实际的工作作风,严肃认真、实事求是的科学态度,培养学生综合运用所学知识与生产实践经验,分析和解决工程技术问题的能力。
作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识,还需要过硬的动手能力,所以认真做好课程设计,对提高我们的动手能力有很大的帮助做到。
1原理及设计方案
1.1滤波器的介绍
滤波器是一种能使有用信号通过,滤除信号中的无用频率,即抑制无用信号的电子装置。
有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。
低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。
理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移,而在阻带内其幅值应为零。
但实际滤波器不能达到理想要求。
为了寻找最佳的近似理想特性,本文主要着眼于幅频响应,而不考虑相频响应。
一般来说,滤波器的幅频特性越好,其相频特性越差,反之亦然。
滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快,但RC网络节数越多,元件参数计算越繁琐,电路的调试越困难。
任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。
对于n为偶数的高阶滤波器,可以由n/2节二阶滤波器级联而成;而n为奇数的高阶滤波器可以由(n-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成,因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。
1.2有源滤波器的设计
有源滤波器的设计,就是根据所给定的指标要求,确定滤波器的阶数n,选择具体的电路形式,算出电路中各元件的具体数值,安装电路和调试,使设计的滤波器满足指标要求,具体步骤如下:
(1)根据阻带衰减速率要求,确定滤波器的阶数n;
(2)选择具体的电路形式;
(3)根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式,建立起系数的方程组;
(4)解方程组求出电路中元件的具体数值;
(5)安装电路并进行调试,使电路的性能满足指标要求。
根据设计要求,我选择巴特沃斯滤波器。
巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性,但是通带到阻带衰减较慢。
选择二阶有源低通滤波器电路,即n=2。
有源2阶低通滤波器电路如图1.1所示,压控电压源二阶滤波器电路的特点是:
运算放大器为同相接法,滤波器的输入阻抗很高,输出的阻抗很低,滤波器相当于一个电压源,其优点是电路性能稳定,增益容易调整。
图1.1有源低通滤波器电路图
在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈,在不同的频段,反馈的极性不相同,当信号频率f>>fc时(fc为截止频率),电路的每级RC电路的相移趋于-90º,两级RC电路的移相到-180º,电路的输出电压与输入电压的相位相反,故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈,反馈信号将起着削弱输入信号的作用,使电压放大倍数减小,所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减,只允许低频端信号通过。
巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为:
,n=1,2,3,...
Butterworth的二阶归一化传递函数为:
H(s)=1/(s*s+1.414*s+1);它的化归一化传递函数可以表示成两个多项式的比:
A(s)(2–1)
其中Auo为通带内的电压放大倍数,C为截止角频率,Q为品质因子。
从(2-1)式中可知,当=0时,(2-1)式有最大值1;=C时,(2-1)式等于0.707,即Au衰减了3dB;
(2–2)
Av=1+R4/R3(2–3)
1.3方案选择
下表1-1列出了每一种类型的二阶滤波器的系数,并给出了调节Q值时所用的电阻比率。
表1-1二阶滤波器的系数
本设计采用的多路反馈结构的巴特沃斯低通滤波器,设计阶数为四阶,截止频率为100KHZ,原理就是两个二阶滤波器的级联。
下图1.2是MFB低通滤波器的基本原理图。
图1.2MFB低通滤波器原理图
电路的传递函数是
其中,各参数由以下计算得
最后结合滤波器设计软件FilterPro得出100KHZ的电容电阻值,进而得到所设计的滤波器。
2硬件简介
设计中所用的OPA690是TI公司的一款高速电压反馈运放,具有超高带宽,单位增益稳定500MHZ,供电电压+-5V,常应用在视频线驱动器,xDSL线路驱动器/接收器,高速成像通道,ADC缓冲器,便携式仪器,阻放大器,有源滤波器。
OPA690引脚图如图2.1,典型滤波电路如图2.2。
图2.1OPA690管脚图
图2.2OPA690典型滤波器电路
3仿真及结果
仿真电路图如图3.1。
图3.1仿真电路
仿真结果如图3.2。
由图3.2可知截止频率在100KHZ,满足设计要求。
图3.2仿真结果
4测量结果
实测结果如表4-1。
表4-1实测结果
KHZ
1
10
20
30
50
70
90
100
150
180
VPP
1.004
1.000
0.998
0.996
0.994
0.986
0.876
0.708
0.548
0.101
图4.1信号为1VPP,50KHZ的正弦信号通过滤波器在示波器上观察
图4.2信号为1VPP,100KHZ的正弦信号通过滤波器在示波器上观察
图4.3信号为1VPP,180KHZ的正弦信号通过滤波器在示波器上观察
5实验心得与体会
通过这次课设,我学会很了很多东西。
首先,以前从模电书上学到的知识应用在了实际上,特别是滤波器的设计,本次设计的是低通多反馈结构巴特沃斯滤波器,因为是四阶100KHZ,所以器件的选择很重要,之前考虑常用的运放如OP07,LM324等这些普通运放,经看数据手册得知要做到100KHZ是根本不能实现的,所以考虑了TI公司的高速运放,由于买到的芯片是贴片的,所以板子布线是用顶层。
第一次由于焊接的原因,导致电路出现状况,电流过大,输出端检测不到信号,之后就烧毁了芯片,第二次做的时候我先焊上芯片然后试着供电看正不正常,之后才焊上其他的元件。
TI的高速运放果然好用,完美的波形,100KHZ的截止频率,前面几乎无衰减。
在设计过程中,我查看了许多资料和书籍,其中最有用的是《运算放大器权威指南》和滤波器设计软件FilterPro,给了我很大的帮助。
这给我的想法是,理论知识很重要,理论知识决定了设计的方法,设计电路的成败。
所以需要查找很多资料,需要足够的耐心、细心去研究问题,解决问题。
同时还必须有实事求是地分析问题的态度,知道理论与实际是有一些差别的。
谢辞
本次课设能顺利的完成,要多谢一些同学的热心帮助,他们跟我分享了很多自己的经验,看法,对有问题的地方都能及时的指出来。
同时更要多谢专业课老师和指导老师的悉心帮助。
参考文献
[1]岗村迪夫.OP放大电路设计.科学出版社,2007.
[2]BruceCarter.运算放大器权威指南.人民邮电出版社,2009.
[3]森。
荣二.滤波器设计与制作.科学出版社,2008.
[4]康治德.模拟电子技术基础.科学出版社,2009.
附录
图1DXP原理图
图2PCB图
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