完整的有源滤波器设计.docx

一.项目意义与目标意义：本项目通过一个比较综合的、能覆盖模拟电子技术这门课程的 大部分内容的三级项目，使我们能将整个课程的内容串联起来，实现一个 系统的功能，巩固整个课程的学习内容，为以后学习和设计提供良好的模 拟电子线路知识。本次有源滤波器设计主要注重的是电子电路的设计、仿 真，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，在加深对知识的理解基础上，进一步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。目标：掌握有源滤波器的分析和设计方法，学习有源滤波器的调试、幅频 特性的测量方法，通过仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波 效果的影响，尝试着制作实物来验证理论以及仿真求得的结果并比较三者 之间的差距。二项目内容与要求内容：滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制（或衰减）无用 频率信号的电子电路或装置，在工程上常用它来进行信号处理、数据传送或 抑制干扰等。有源滤波器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入 阻抗都很高，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，但因受运算放大器频限制，这种滤波器主要用于低频范围。要求：在模电课程对有源滤波器所学到的知识的基础上，设计出一阶低通 有源滤波电路，一阶高通滤波电路，二阶低通滤波电路，二阶高通滤波电 路，二阶带通滤波电路，二阶带阻滤波电路。研究和设计其电路结构、传 递函数，并对有关参数进行计算，再利用multisim软件进行仿真，组装和 调试各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，观察效果。由 滤波电路的曲线可以看出通带的电压放大倍数、通带上限截止频率，下限 截止频率，特征角频率等的实际值，与计算出的理论值相比较，分析误差。三.实验原理程序设计一阶低通滤波电路：一阶有源低通滤波电路是一个一级RC低通电路的输出端再加上一个电 压跟随器，使之与负载很好的隔离开来。由于电压跟随器的输入阻抗很高， 输出阻抗很低，因此，其带负载的能力得到了加强。若要求此电路不仅有 滤波功能，并且可以起到电压放大作用，则只需要将电路中的电压跟随器 改为同相比例放大电路即可。(见下图1)传递函数：A(s)=籍=AJQ + s/w°)截止频率：fo = l/2nRC频率低于F时f电压增益：Avf = l + RJR频率高于?4时f增加斜率二阶低通滤波电路：二阶有源低通滤波电路由两个RC环节和同相比例放大电路构成(见下 图4)，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。二阶高通滤波器的通带增益：Avf=l + Rf/R1二阶高通滤波器的截止频率：K = o 2nRC二阶高通滤波器的品质因素：Q=-其传递函数为A(s) = Avfw2/(S2 + 岩 + 叫)wc=l/RC Q=1/(3-Avf)可0为特征角频率，也就是-3dB截止角频率，Q为等效品质因数。一阶高通滤波电路:如果将RC低通电路中的R和。的位置互换，就可得日。高通电路。在0<w<wL范围内为阻带，高于礼的频率为通带，但是受到有源器件和外接元件以及杂散参数的影响，受带宽的限制，高通滤波电路的带宽也是有限 的。如下图，该电路既有滤波功能，还有放大作用。传递函数：A(s)=就) = 4/(1 + w°/s)截止频率：fo = l/2nRC频率高于F时-电压增益：Avf = l + RJR 频率低于F时-增加斜率二阶高通滤波电路:<b)幅烦特性二阶高通滤波器的通带增益:AU + %/R】二阶高通滤波器的截止频率：兀=一° 2nRC二阶高通滤波器的品质因素：Qj-可0为特征角频率，也就是-3dB截止角频率Wc=i/RC Q=i/（3-lf）其传递函数为A(s)f产/ 3+* +昭)Q为等效品质因数。二阶有源带通滤波电路：低通和高通可以构成带通滤波电路，条件是低通频率的截止角频率3H 大于高通滤波电路的截止角频率3L ,两者覆盖的通带就提供了一个通带响 应。带通滤波器(BPF)能通过规定范围的频率，这个频率范围就是电路的带 宽BW,滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率加的频率点上。带通滤 波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q越高。电路的Q值 可公式求出Q=f0/BW .可见，高Q值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；反之低。值滤波器有较宽的带宽，势必输出电压较小。采用低通-高通串联实现带通滤波器：将带通滤波器的技术指标分成低 通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通滤波器和高通 滤波器，再串联即得带通滤波器。二阶巴特沃思滤波器的Avf1=1.586,因此， 由二级串联的带通滤波电路的通带电压增益(Avf1)2=(1.586)2=2.515，由于通 带电压增益：Au=1，因此在低通滤波器输入部分加了一个由#8和&9组成的 分压器。.上ri- 1<S1如图,R1和C1组成低通网络，R3和C2组成高通网络，两者串联就组成了 带通滤波电路。由KCL列出方程，可导出带通滤波电路的传递函数为A(s) =1(34 vf)sCR(sCR) 2式中A讨为同相比例放大电路的电压增益，同样要求AQ，电路才能稳 定的工作。令则有u 3AvfW = 1"°(RC)Q = (3Avf)°QwnA(s)=MW。驾)2上式是二阶带通滤波电路传递函数的典型表达式，其中w0=点，既是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率。4 ±JWW Wq.Wq w捋也一= 令8!可可,代入上式，则有1 地2/工 英cW0 woQA(jw)="qw”=1_ % w IjQ -W0WOQ"。且*啊)由0=普，这上式表明，当w=w0时，电路具有最大增益, 就是带通滤波电路的通带电压增益。当上式分母虚部的绝对值为1时，有IA(jw)l淄；因此，利用|Q当V2WQ约1=1 ；取正根，可求出带通滤波电路的两个截止频率，从而导出带通滤波W电路的通带宽度BW= = % 二阶有源带阻滤波电路：设计二阶带阻滤波电路有两种方案：1. 从输入信号中减去带通滤波电路处理过的信号，就可以得到带阻信号2. 将低通和高通滤波电路进行并联，便可获得带阻滤波电路。这里选取方案2设计带阻滤波电路，由节点导纳方程可求得传递函数V sQV. s1;w 222A f wovf w0Avf1S 2A jw =1Avfjw 2w0W0 2 22 Avf W0Avf I11 jwwowo22 t 1,jw-Q wo式中w0=六是特征角频率，也是带阻滤波电路的中心角频率；Avf =A0 =1+# 为带阻滤波电路的通带电压增益；Q = 2（2， 当久趋近2时，Q趋向 于无穷大。因此，气越接近2, |&越大，可使带阻滤波电路的选频特性越好，可 阻断的频率范围越窄。现根据实验原理设计一个带阻滤波电路相关参数：10mv 10kHz的交流电压源 电容C=C1=C2=10nF C3=20nF R1=R2=1.6kA R3=800Q 运放型号为 LM324N Rf=R4=8.06kQ R5=10kn VCC=20V VEE=20V四.实验仿真1.一阶有源低通滤波器仿真电路用扫频仪测得通带电压放大倍数为6.02dB，移动游标至人v下降3dB （约291dB） 的位置，测得上限截止频率为148.951KHZ，下面为对应的曲线图。图2 （幅频特性曲线）图3 （幅频特性曲线）图4 （幅频特性曲线）2二阶有源低通滤波电路KBP1R347KQR4 R2 ciSJlkOOPAMP 3T VIRTl ALC2 土 4/nFOUT为R11 Vtim? ikH； 妒图5（二阶仿真电路图）移动游标到频率约为146MHz（约十倍频）的位置，测得Avf约为-23156dB。图6 （幅频特性曲线）移动游标到AvfT降3dB （约0924dB ）处的位置，测得上限截止频率约为494.422HZ,如下图所示。图7 （幅频特性曲线）移动游标到频率约为4.985kHz（约十倍频）的位置，测得Avf约为一36079dB。图8 （幅频特性曲线）对教线性10kHz5Hz50dB-50dB4.985 kHz-36.079 dB3. 一阶有源高通滤波电路，如下图，该电路既有滤波功能，还有放大作用。图1 （仿真电路图）图2 （幅频特性曲线）用扫频仪测得通带电压放大倍数为5.983dB，移动游标至A航降3dB （约-3.029dB）的位置，测得下限截止频率为2.664KHZ，下面为对应的曲线图。图3（幅频特性曲线）移动游标到频率约为307.499Hz（约十倍频）的位置，测得Avf约为-12754dB。图4 （幅频特性曲线）4二阶有源高通滤波电路如上图为二阶高通滤波电路的原理图,R1=R2=8.20, R3=150 , R4=9.10 ,C1=C2=10nF,二阶高通电路部分起滤波作用，运放起放大信号的作用，Avf = Rf - R1 +1 = 1.607，截止频率 fo = 1/2兀RC = 1.941kHz，品质因素Q = 1/(3- Avf) = 0.94。图5（二阶仿真电路图）图6（幅频特性曲线）移动游标到A"降3dB （约1.19dB）处的位置，测得下限截止频率约为1.931KHZ， 如下图所示。图7 （幅频特性曲线）移动游标到频率约为204.698kHz（约十倍频）的位置，测得A vf约为一34.421dB。图8（幅频特性曲线）5二阶有源带通电路图1 （仿真电路图）图2 （幅频特性曲线）图3 （幅频特性曲线）图4 （幅频特性曲线）6二阶有源带阻滤波HOifilINI OUT mt_r图1 （仿真电路图）图2 （幅频特性曲线）图3 （幅频特性曲线）图4 （幅频特性曲线）五.实验结果与分析1.一阶有源低通滤波电路通带上限截止频率为：fp=1/2 n RC«159.155KHZ（理论值）；fp=1/2 n RC«148.951KHZ （仿真值）;放大倍数：Avf=2当f>>fp,理论上的幅频特性曲线，在过渡带按-20dB每十倍频斜率下降。而由上面的曲线图，可知道真实的过渡带是按-2.921- （-23.156） dB每十倍频, 约为-26.0dB每十倍频的斜率下降。理想情况下，希望当f>fp时，电压放大倍数 立即降为零。一阶低通有源滤波器与理想的幅频特性曲线相差很大，过渡带较 宽。2二阶有源低通滤波电路由电路的接法可知，相对于一阶电路，引入了一个正反馈，从而让输出信号在 高频段迅速下降，滤波电路的幅频特性曲线在过渡带将以-40dB每十倍频的速度 下降，与一阶相比，其下降速度将提高一倍，从而使其滤波特性更接近于理想 的情况。通带上限截止频率为：fp=1/2 n RC«497.981HZ （理论值）；fp=1/2 n RC«494.422HZ （仿真值）；放大倍数：Avf=2由幅频特性曲线可知，过渡带约按-0.924- （-36.079）每十倍频，即-37.003dB 每十倍频的斜率下降。当f>fp时，其电压放大倍数下降速度更快，过渡带较窄， 具有更好的低通滤波特性。另外，对于二阶低通有源滤波电路，其等效品质因数Q的大小对电路的幅频特性 影响较大，。值越大，则f=fp时的IAv值越大。当Q等于1时，既可以保持通带的 增益，又能使高频段的电压放大倍数快速地衰减，同时避免了在£或处幅频特性 曲线产生一个较大的凸峰，因此滤波效果好。上图为二阶低通滤波器的仿真图，函数发生器提供输入信号，由示波器的波形 可知，滤波电路不会改变信号的频率，上边的波形为经过滤波器前的信号，为 正弦信号，下边的波形表示经过滤波器之后的信号，明显看出波形被衰减，由波特图仪可知电路的上限截止频率fl=494.422HZ，理论值fo=497.981HZ, 再将 信号频率取一定的梯度，再观察波形的情况。由表可知，波形在500hz以下时电路的失真现象不明显，高于500Hz时电路明显 被衰减，且随着数值的减小，衰减倍数越大，所以说明截止频率接近500Hz，与理论值和波特图仪读出的值接近；以上分析可得，测量实际电路的截止频率可 以用看波特图仪的方法和对不同信号频率范围的观察分析，波特图仪精度较高， 使用较方便。3. 阶有源高通滤波电路通带下限截止频率为：fp=1/2 n RC«2.653KHZ （理论值）； fp=1/2 n RC«2.664KHZ （仿真值）；放大倍数：Avf=2当丘6，理论上的幅频特性曲线，在过渡带按-20dB每十倍频斜率下降。而由上面的曲线图，可知道真实的过渡带是按-2.664-（-12.754） dB每十倍频， 约为-160dB每十倍频的斜率下降。理想情况下，希望<<fp时，电压放大倍数 立即降为零。一阶高通有源滤波器与理想的幅频特性曲线相差很大，过渡带较 宽。4二阶有源高通滤波电路滤波电路的幅频特性曲线在过渡带将以-40dB每十倍频的速度，与一阶相比其下 降速度将提高一倍，从而使其滤波特性更接近于理想的情况。通带下限截止频率为：fp=1/2 n RC«1.941kHz （理论值）；fp=1/2 n RC«1.931kHz （仿真值）;放大倍数：Avf=1.607由幅频特性曲线可知，过渡带约按-1.19- （-36.41）每十倍频，即-37.6dB每十倍频的斜率下降。当f<<fp时，其电压放大倍数下降速度更快，过渡带较窄，具有更好的高通滤波特性。上图为二阶高通滤波器的仿真图，函数发生器提供输入信号，由示波器的波形可知，滤波电路不会改变信号的频率，黄色线为经过滤波器前的信号，为正弦信号，橙色线表示经过滤波器之后的信号，明显看出波形被衰减，由波特图仪 可知电路的下限截止频率翻=1.931皿，理论值fo=1941kHz，再将信号频率取 一定的梯度，再观察波形的情况。50HZ 500Hz 1kHz 1.5kHz 2.0kHz 2.5kHz 3.0kHz 10kHz由表可知，波形在2kHz以上时电路的失真现象不明显，低于2kHz时电路明显被 衰减，且随着数值的减小，衰减倍数越大，所以说明截止频率接近2皿，与理 论值和波特图仪读出的值接近；以上分析可得，测量实际电路的截止频率可以 用看波特图仪的方法和对不同信号频率范围的观察分析，波特图仪精度较高， 使用较方便。5二阶有源带通滤波电路通带上限截止频率为：fh«2364.25HZ （理论值）；fh«1950HZ （仿真值）；通带下限截止频率为：fl«435.75HZ （理论值）；fk510.06HZ （仿真值）；当输入频率为1kHz的信号时，对输出电压进行交流分析，其幅频特性如图:设计1交流分折当输入信号的频率在上限频率和下限频率之间时（如：f=800Hz）,输入波形与输出波形基本保持一致，不会失真TlrYiolssk&cA匚&、共日曰TrlooerScale I ne-DeEcalei sooScale i oa mwivEdgei |,jJ|'t- g J -X dos.CDIvJi 0¥ pos-.<pi)i OY pos.<DIm,>i "a | ； | Lovell vL/ZT I l B/A 'll' A/B I q«z I_IFdc-rm i JUZ 11 曰 11 口u Jn I Slrele I Normall l Auto I I当输入信号的频率小于下限频率时（如f=100Hz），有明显的滤波现象。6二阶有源带阻滤波电路通带上限截止频率为：fh«4.976KHZ （理论值）；fh«5.136KHZ （仿真值）;通带下限截止频率为：fl«19.904KHZ （理论值）；f!V9.145KHZ （仿真值）；当输入信号的频率小于上限频率和大于下限频率时，输入波形与输出波形基本保持一致，不会失真当信号源频率为9Khz时，输出信号正常。如图：当信号源频率为10Khz时，输出信号被抑制！如图:当信号源频率为11Khz时，输出信号正常，如图:六.误差分析及改进措施1. 一阶有源低通滤波器理论上的截止频率为159.155KHZ，实验仿真的结果为148.951KHZ，误差为:|148.951-159.155|/159.155*100%=6.4%，误差很大。由w c=1/RC=2nfc得知，假如实际的截止频率比所要求的截止频率小，则要 求把电阻或者电容减小；假如实际的截止频率比要求的大，则要求把电阻或者 电容增大。由于测试的截止频率比设计要求的低，所以要提高它的截止频率。 假定电容不变了，则电阻值R t-Wc |-fc |和R |-Wc t-fct ；可以判定原 来的电路的电阻值过大。则可以尝试改变电阻值。2. 二阶有源低通滤波器理论上的截止频率为497.981KHZ，实验仿真的结果为494.422KHZ，误差为： |497.981-494.422|/497.981*100%=0.7%，可知，相比一阶电路，误差大大减小， 适当增加电路图中R4的值可以保证一定误差的同时增大放大作用。3. 一阶有源高通滤波器理论上的截止频率为2.653KHZ，实验仿真的结果为2.664KHZ，误差为： |2.653-2.664|/2.653*100%=0.4%，误差不是特别明显，而且相对来说使用二阶 有源高通滤波器效果更好。4. 二阶有源高通滤波器理论上的截止频率为1.941KHZ，实验仿真的结果为1.931KHZ，误差为： |1.941-1.931|/1.941*100%=0.5%，误差不是特别明显。可以在保证误差不会增 加的情况下考虑增加电路图中R4的值从而增加电路的放大作用。5. 二阶有源带通滤波器理论上的上截止频率fh=2364.25HZ，fl=435.75HZ实验仿真的结果为fh=1950HZ, fl=510.06HZ，误差为：|2364.25-1950|/2364.25*100%=1752%， |435.75-510.06|/435.75*100%=17.05%。带通在软件仿真的误差虽然比较大， 但是在实物与理论值频率的比较上很接近。另外，通过改变Rf和R4的比值可以 调节增益从而在不影响中心频率的情况下，改变通带宽度。就本电路而言，当 R4增大到100k后在小范围的改变Rf的值对截止频率的影响不是很大。6. 二阶有源带阻滤波器理论上的上截止频率fh=4.976KHZ, fl=19.904KHZ实验仿真的结果为 fh=5.136KHZ, fl=19.145KHZ，误差为：|4.976-5.136|/4.976*100%=3.2%， |19.904-19.145|/19.904*100%=3.8%，可以调节电路图中R4与R5的比值来减小 频率的误差同时增大放大作用。七.结论与体会结论：1.通过对一阶、二阶有源低通滤波电路的仿真分析可以看出，滤波电路 中引ARC低通滤波电路的环节越多（阶数越高），f>fp时，电压放大倍数下降 的速度越高，过渡带幅频特性曲线衰减斜率的值越大，幅频特性曲线的过渡带 越窄，滤波效果越理想。2. 通过对高通滤波器的一阶、二阶的波形和幅频相频特性的分析，可知高通滤 波器只允许高于截止频率的信号通过，低于截止频率的信号被去掉，所以高通 滤波器在实际中常用于信号的处理。3. 低通和高通可以构成带通滤波电路，条件是低通频率的截止角频率大于H高通滤波电路的截止角频率七，两者覆盖的通带提供了一个通带响应。由仿真 可以看出品质因数Q越大，通带的带宽越窄，而由公式。=忠3可以看出，通 过改变通带增益能够影响品质因数Q从而影响带宽。4. 带阻滤波电路是由输入信号同时作用于无源低通滤波电路和无源高通滤波电 路，然后再接同相比例运算电路，最后得到有源带通滤波电路。带阻滤波电路 的品质因数Q越大，带阻滤波电路的选频特性就越好。八参考文献【1】康华光.电子技术基础（模拟部分）（第六版）.北京：高等教育出版社【2】王冠华、卢庆龄.Multisim12电路设计及应用.北京：国防工业出版社【3】王连英.基于Multisim10的电子仿真实验与设计.北京：北京邮电大学 出版社