二阶有源滤波器设计实验报告.docx
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二阶有源滤波器设计实验报告
二阶有源滤波器设计实验报告
二阶有源滤波器的设计
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摘要:
滤波器是一种选频电路,是一种能让需要频段的信号顺利通过,而对其它频段信号进行抑制(或大为衰减)的电路。
滤波器在通信技术、测量技术、控制系统等领域有着广泛的应用。
滤波器的分类很多,根据滤波器对信号频率选择通过的区域,可分为低通、高通、带通和带阻等四种滤波器;按使用的滤波元件不同,可分为LC滤波器、RC滤波器、RLC滤波器;按有无使用有源器件,分为有源滤波器和无源滤波器;按通带特征频率fo附近的频率特性曲线形状不同,常用的可分为巴特沃斯型滤波器和切比雪夫型滤波器;有源滤波器还分为一阶、二阶和高阶滤波器,阶数越高,滤波电路幅频特性过渡带内曲线越陡,形状越接近理想。
由有源器件(晶体管或集成运放)和电阻、电容构成的滤波器称为RC有源滤波器,这类滤波器的优点是:
通带内的信号不仅没有能量损耗、而且还可以放大,负载效应不明显,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。
缺点是由于受运算放大器的带宽限制,这类滤波器主要用于低频范围,目前有源滤波器的最高工作频率只能达到1MHz左右,并且需要直流电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。
本实验设计了RC有源低通、高通、带通滤波器,并利用利用EDA工具Multisim对实验进行仿真演示,列出了具体的分析与设计方法。
1仿真软件Multisim简介
EDA(就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写)技术已经在电子设计领域得到广泛应用。
发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。
一台电子产品的设计过程,从概念的确立,到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计,再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。
EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点,可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。
EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。
美国NI公司(美国国家仪器公司)的Multisim软件就是这方面很好的一个工具。
而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术(LABⅥEW8)(也是美国NI公司的)可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。
学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。
并且可以用虚拟仪器技术创造出真正
图3仿真结果图
2.5仿真结果和设计指标的比较
通过仿真波形可以看出,截止频率为3.4kHz,基本符合设计指标,带内的增益为3.7dB,与设计指标有差异。
3二阶有源高通滤波器
3.1设计指标:
通带增益AUF=1.6;
品质因数Q=0.707;
截止频率fL=300Hz;
阻带衰减:
不小于︳-40dB/10oct|;
3.2仿真原理图
与低通滤波器相反,高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。
只要将图3低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器,
图4仿真原理图
3.3电路器件参数计算
同相放大电路的电压增益即低通滤波器的电压增益
传递函数:
其中:
高通电路的下限频率
,要求
,取C1=C2=0.1uF
可求得:
R2=R5=5.31k,取5.1k取Q=0.707,则AVF=1.586取R4=47kR7=82k
3.4仿真波形
图5高通滤波器的仿真波形
从图5的仿真结果可以看出,截止频率在303Hz出,基本符合设计要求;通带增益为0.7,相比设计指标偏小。
4二阶有缘带通滤波器的设计
4.1设计指标
通带增益AUF=0;
中心频率:
fO=190kHz;
带宽:
50kHz;
阻带衰减:
不小于︳-40dB/10oct|
4.2仿真原理图
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。
反之则为带阻滤波器。
图6仿真原理图
如图6所示的,由R2R3和运放构成的同相放大器的增益为K,K=1+R3/R2。
将此电路的转移函数与二阶带通函数比较,可得到一下关系。
品质因数Q来表示滤波器频率响应曲线的尖锐程度,可以用中心频率和带宽的比值度量。
H0为传递函数在中心频率处的幅值。
我们取中心频率为Fp=190k,通带宽度BW=50k,可以求得Q=5,使R2=R3,所以K=2,取H0=4。
取
=100pF,计算的R1=4.4k,R4=8k,R5=30k。
4.3仿真波形
图7仿真波形
从图7可以看出该带通滤波器的中心频率fo=190kHz,带宽为40kHz,通带增益为0.9dB与理论计算结果有一定差异。
5总结
通过设计和仿真,对于有源滤波器有了一定的了解,能够根据设计指标设计简单的原理图,并与计算结果相比较。
有源滤波器在锁相环电路中发挥着很重要的作用,这对于我以后的学习有很大的帮助。
在实验仿真中还有很多不足,需要在以后的学习中继续完善。
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