滤波器的课程设计.docx

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滤波器的课程设计

滤波器的课程设计

摘要：

本设计是一个可控制的滤波放大电路，主要由三个环节构成：

四阶巴特沃兹带通滤波器、可控增益的增益放大器和开关电容带通滤波器。

实现的是对于100——5000hz低频信号的滤波放大，及最后开关电容滤波器带通滤波选取某频段的波形，同时给予可控增益完成信号的放大。

关键词：

巴特沃兹滤波器可控增益放大切比雪夫滤波器

1、设计任务和设计要求

1．1设计任务

对于信号处理需要进行滤波和放大，而现有的滤波放大器的可控性能不高，现要求设计一个简单的可控滤波放大电路，实现对放大增益的可控制，并且能够完成带通滤波和某一平率波形的简单提取。

1．2设计要求

输入信号选在低频区，带通滤波范围在100Hz——5kHz。

带通滤波增益有明显的变化，范围在40dB——70dB之间即可。

滤波区间变化较为平坦，频段提取的中心频率增益不小于10dB，提取频率2000Hz。

1．3题目评析

题目的重点在于滤波和放大，难点在于可控增益的放大和滤波性能的要求。

要求设计的电路主要的功能就是滤波和控制放大，而如何做到滤波器性能的要求是滤波器设计主要难点，而可控增益放大器则需要完成如何在要求范围内完成放大增益分贝。

题目的实用价值在于现代通讯和传感器领域中要求对信号做出处理，而放大和滤波两种基本处理应用非常广泛，实现增益控制和滤波控制将为自动控制系统实现很大的便利性，尤其是可编程控制的放大滤波器的运用会非常的灵活方便，若是结合单片机的使用，将极大的提高系统的自动化程度。

本设计的创新之处在于结合巴特沃兹滤波器、AD603芯片和MAX274芯片，实现了滤波放大和单一频率的波形提取，整体设计在参数计算工作量大大减少，而且在灵活性的基础上实现了设计要求，可以运用在电机和变压器对三次谐波的监控或是信号中的谐波分析。

2、方案比较与论证

2．1滤波单元设计

方案一：

无源滤波

RC无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是RC参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。

方案二：

有源滤波器

有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。

有源滤波能够滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。

其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。

选用TI公司的LM324进行滤波单元的设计。

2．2增益放大单元设计

方案一：

使用数字电位器和普通运放组成放大电路。

通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可变增益。

这种方案硬件实现较简单,但限于数字电位器的精度较低、档位有限,这种方案很难实现增益的精确控制,同时数字电位器受信号的带宽限制,在运放环路中会影响整个系统的通频带宽。

方案二：

采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器，便于对放大增益的较精确控制，同时可以降低干扰和噪声。

综上所述,本设计采用方案二,AD603是一款低噪声,精密控制的可变增益放大器,温度稳定性高,最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度,其增益（dB）与控制电压V呈线性关系。

2．3频率波形提取单元设计

方案一：

使用集成运放组成的带通滤波器，使中心频率对应要求的提取频率，此处使用切比雪夫响应的滤波器较好，但是集成运放在通带频率和阻带频率的确定较困难，而且切比雪夫滤波器虽然有很好的下降性，但是滤波的波纹较大，参数设计复杂，精度难以提高。

方案二：

使用开关电容滤波器组成的带通滤波器，开关电容具有数字滤波器的离散特性，但是不必像数字滤波器那样进行AD和DA转换，可以对模拟信号直接处理，而且速度和精度都大幅度提高，因此本设计采用的是开关电容滤波器进行频率波形提取。

3、系统硬件设计

3．1系统的总体设计

对于设计要求，单一模块无法完全达到，因此需要多级模块串联工作，分步完成，因此系统总体由三个设计单元串联组，如方框图3.1所示

图3.1系统总体方框图

设计为三个单元串行连接，一级单元的输出是下一级单元的输入，对于系统的总体要求由每一块单元单独执行。

其中控制电路单独对增益进行控制，若滤波同样采取开关电容滤波器，则完全可以实现可控滤波的操作，即对滤波器进行编程操作或者以不同的时钟脉冲输入滤波器控制截止频率，但是这需要单片机或者逻辑器件的辅助。

最后开关电容对处理后的波形在此滤波，提取出指定频率的波形来。

3．2系统的单元设计

3.2.1低频滤波器的设计

低频滤波器是一个带通滤波器，设计要求希望滤波器的响应足够平坦，因此选用巴特沃兹滤波器，使用一个巴特沃兹低通滤波器和一个巴特沃兹高通滤波器串联组成巴特沃兹带通滤波器。

对于单一的巴特沃兹低通滤波器，在2

处有较大的衰减，这里设定为在2

处信号衰减为-30dB，则有滤波器阶数：

其中A为衰减分贝，

为在2

处的归一化频率。

可得n=2.16，定阶数为二阶。

根据频域的对称性原则，巴特沃兹高通滤波器的阶数也为二阶，组成的是四阶巴特沃兹带通滤波器。

二阶巴特沃兹滤波器电路如图3.2.1所示，巴特沃兹滤波器的传递函数为：

其中

是滤波器的截止频率，

是滤波器的放大增益。

把品质因数定为Q=0.707，电容选用1nF，已知低通滤波器的截止频率为5000Hz，则可求出

，R=31.84k，对于集成运算放大器，要求两输入端的输入电阻对称，故

，解得

，

。

所得电路如图3.2.2所示

图3.2.1巴特沃兹二阶低通滤波器

图3.2.2设计得到的电路图

巴特沃兹二阶高通滤波器电路图如图3.2.3所示

图3.2.3巴特沃兹二阶高通滤波器

巴特沃兹二阶高通滤波器传递函数为：

截止频率

滤波器放大增益

已知截止频率为100Hz，选取电容为0.1uF，可得出电阻R=16k，

，R=

//

，可得

，所得的电路图如图3.2.4所示

图3.2.4设计得到的电路图

将两个巴特沃兹滤波器串联，就可以得到滤波器单元的设计电路图。

此单元完成信号滤波，使输出的信号在100Hz——5000Hz之间，高通滤波器和低通滤波器组成带通滤波器实现设计要求。

3.2.2可控增益放大器单元设计

本单元的设计采用AD603AQ芯片，该芯片精密度高，控制精度好，温度稳定性高，增益与控制电压成线性关系，该芯片的内部结构如图3.2.5所示

图3.2.5AD603AQ芯片的内部结构

芯片内部由固定放大器和增益可变的精密无源输入衰减器组成，二者共同决定整个芯片的增益倍数，加在梯形网络输入端的信号进过衰减后由固定增益放大器输出，增益的调整由Vg电压决定，在本设计中，芯片工作在模式三中，反馈端与输出端断路，FDBK对COMN连接一个18uF的电容用于扩展频率响应，为高增益模式，增益电压Vg由一个滑动变阻器控制，呈非线性变化。

增益倍数的计算公式为VG=40Vg+30dB，Vg的电压不超过1v。

根据设计要求，此处采用一片AD603，若是设计要求的增益倍数继续扩大，可采用两片或者多片级联工作。

根据设计要求连接AD603的外围电路，如图3.2.6所示。

由于设计要求放大增益在40dB——70dB之间，则要求Vg两端的电压在0.25——1v之间。

使用滑动变阻器串联，串联电阻数值为1k、15k、4k，其中15k为精确的可调电阻，在电路图中用滑动变阻器表示。

AD603芯片提供了整个电路的主要放大增益部分，增益理论设计在40dB——70dB可调，满足设计要求。

3.2.3频率波形提取单元的设计

本单元的设计采用的是较为低级的可编程开关电容滤波器，选用的是MAX274开关电容，MAX274的带通滤波截止频率是由周围电阻的阻值决定的，改变提取频率则需要更换

图3.2.6AD603的电路图设计

相应的电阻。

芯片是一个八阶连续时间有源滤波器，由四个独立的二阶有源滤波器组成，可以实现巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔响应滤波，噪声低，动态性能好，中心频率在100Hz——150kHz之间，符合设计要求。

芯片及外围连接如图3.2.7所示。

确定开关电容滤波器的品质因数Q=0.707，

为中心频率，则电阻

，电阻

，电阻

，系数a的取值为端口FC连接的地方，本单元的设计为FC接地。

电阻

，A为中心频率的增益。

系数a具体如图3.2.8

图3.2.8系数a的具体取值

图3.2.7MAX274及外围连接图

根据设计要求不低于10dB，这里把中心频率的增益定为15dB，为了得到快速下降特性，滤波器模型为六阶阶切比雪夫滤波器，可求得如图3.3.4所示

此单元为最后的频率提取单元，将特定的频率的波形输出。

4、系统仿真

4．1低频滤波器单元的仿真

该单元的仿真图如4.1.1所示。

图4.1.1低频滤波器单元的仿真图

仿真结果为波特图测试3dB时的频率为82.94Hz和5.48kHz，其幅频特性曲线如图4.1.2所示，此时输入的信号频率为2kHz。

根据仿真结果，低频滤波器的性能和误差符合设计要求。

图4.1.2幅频特性曲线图

4．2可控增益放大器单元的仿真

该单元的仿真图如图4.2.1所示。

仿真结果该增益放大器的幅频特性和波形图如图4.2.2所示，此时输入信号为2kHz。

图4.2.2幅频特性曲线图和示波器显示的输入输出波形图

4．3频率波形提取单元的仿真

该单元的仿真图如4.3.1所示，其幅频特性曲线如4.3.2所示。

由仿真结果来看，满足设计要求的3000Hz波形提取。

图4.3.1频率波形提取单元的仿真图

图4.3.2频率波形提取单元的幅频特性曲线

4．4一、二级单元串联运行

两级单元串联运行如图4.4.1所示，波形如图4.4.2所示，波形纵轴输入的单位为5mv/Div，输出的波形是5v/Div，放大倍数接近1000倍。

图4.4.1两级单元串联的仿真图

5、结论

本设计采用巴特沃兹滤波器和切比雪夫滤波器结合可控制增益放大模块，对信号进行固定为100Hz——5000Hz的低频率部分的滤波，通过增益放大模块对信号进行可控放大，最后由切比雪夫滤波器对频率为3000Hz的波形进行提取。

本设计旨在对滤波放大电路可控部分进行改进，缺点是调节精度不高，对于切比雪夫滤波器和巴特沃兹滤波器的频段控制仍依赖于外围电阻的参数而不能达到高度自动化，若是本设计结合单片机或者可编程逻辑控制器件，对外电路的参数进行定量控制，同时改进使用的芯片达到更高的精度，相信这块电路会更完善。

6、参考文献

1、滤波电路原理分析

2、max274有源滤波器的设计应用于春香集成电路通讯第25卷第2期2007年6月

3、四阶巴特沃兹低通滤波器的设计与仿真

4、lm324资料

5、巴特沃兹二阶有源高通滤波电路的设计与仿真

6、ad603ad公司产品说明手册

7、max274maxim公司产品说明手册

8、lm324ti公司产品说明手册

附录一电路原理图

附录二PCB板电路