高通有源滤波电路

湖南文理学院课程设计报告有源高通滤波电路目录第一章简介1.1 设计要求 (3)1.2 设计作用与目的 (3)1.3 所用仪器设备 (4)第二章设计原理2.1 设计方案及方案选择 (5)2.2 模块电路设计及分析 (6)2.3 总体设计 (10)2.4 元件参数 (11)第三章设计硬件及软件过程3.1 Multisim仿真图 (13)3.2 仿真结果 (14)3.3 系统调试结果分析 (16)第四章总结与展望第一章简介1.1设计要求有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分，衰减或抑制无用的频率成分，并对有用的频率成分具有一定的电压放大作用。

有源高通滤波电路应包括：滤波电路；集成运放；反馈电路，三个部分。

滤波电路能有效滤除无用频率信号成分，保留有用频率信号成分。

集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用，使电路滤波特性趋于理想。

通过对有源滤波电路的探究，设计了一四阶有源高通滤波电路。

在Multisim 10软件中进行仿真实验，对电路的频率特性和不同频率下输出的信号进行了分析，电路能有效滤除或衰弱频率为100Hz以下的电压信号，对频率100Hz以上的电压信号有放大作用。

最终结果基本达到了预期要求。

1.2设计作用与目的滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，广泛应用于电力系统、通信发射机与接收机等电子设备中，它能减弱或消除谐波的危害，对无用信号尽可能大的衰减，让有用信号尽可能无衰减的通过，从而纠正信号波形畸变。

所以，无论信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，尤其是有源高通滤波器。

它在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用，有源高通滤波器的优劣直接决定产品的优劣。

所以研究滤波器，具有重大意义。

1.3 所用仪器设备表：有源高通滤波电路明细表第二章 设计原理2.1 设计方案及方案选择有源高通滤波器应分为三部分：滤波电路；集成运放；反馈电路。

滤波电路由R 、C 元件组成。

而集成运放和反馈电路构成了同相比例器或反相比例器。

选择不同的电路单元便有不同的设计方案。

2.1.1 方案一：二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器由RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。

其方框图如图2.1所示。

从方框图可以看出：二阶高通有源滤波器主要由RC 网络；集成运放；反馈网络几部分组成。

输入信号通过RC 网络选频，滤除或衰弱无用的频率信号成分，保留有用信号成分。

保留下来的信号成分通过集成运放和反馈网络进行放大，最后完整的输出。

2.1.2 方案二：四阶有源高通滤波器由前面分析可知，二阶有源高通电路能滤除无用频率信号。

而四阶有源高通滤波电路可由两个二阶高通滤波电路级联而得到。

则由图2.2可推断：四阶有源高通滤波器工作原理,输入信号经过电路第一级进行滤波，滤除、衰弱无用频率信号成分，有用成分被放大并被输入到电路第二级，再一次进行滤波和放大后，最后有用频率信号成分被完整输出。

图2.1 二阶有源高通电路框架图图2.2 四阶有源高通电路框架图2.1.3 有源高通滤波器设计方案选择滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的截止频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输增益。

阻带指标为带外传输增益的衰减速度。

根据前面的设计分析，可设计出简单高通滤波电路和高阶高通滤波电路。

由于二阶高通滤波器滤波效果不够好，幅频特性衰减率较低，而阶数过高则电路复杂，成本较高。

因此，采用四阶有源高通滤波电路比较合理。

2.2 模块电路设计及分析设计电路时应先考虑电路的总体结构。

信号要有选择的被滤除，最主要的是滤波电路的设计。

而信号被筛选之后，最好应有一定的放大，这样才能保证有完整的输出。

因此，应先分析有源高通滤波器的框架图，再设计各单元电路，接着是总体电路的整合，最后是元器件参数的设计分析。

一，有源高通滤波器的基本组成滤波器是一个二端口网络，实现对输入信号的某些频率选择性通过的功能，而使其它频率的信号受到衰减或抑制。

实现这些功能的网络是振荡回路，即由RLC元件或RC元件构成的滤波器，也可以是由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。

然后通过有源器件集成运放放大，实现滤波放大功能。

理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。

在通带和阻带之间存在一个过渡带，在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。

根据滤波器基本原理，易知有源高通滤波器的基本组成是：RC选频网络；集成运放；反馈网络。

首先输入信号接入电路，通过滤波电路进行滤波，滤除截止频率以外的信号。

然后通过集成运放电路，实现信号放大。

为了保证集成运放工作在线性区和稳定输出电压，电路中引入了反馈电路。

最后系统输出滤波后的信号。

各单元电路的作用：1、RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。

2、放大器的作用电路中运用了运放，同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。

而反相放大器输入阻抗低，输出阻抗高。

3、反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过电路反送到输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。

二，滤波电路部分设计根据放大电路的频率响应，由于电抗元件及半导体管极间电容的存在，当输入信号频率过低或过高时，导致放大倍数数值变小，产生超前或滞后的相移。

对于高通滤波电路，当信号频率较低时，耦合电容和发射极电容很大，分压作用不可忽略。

由于耦合电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。

RC网络在电路中起着重要的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。

1、一阶高通滤波电路图如图2.3所示。

由KCL分析得：1111oUiRUAU R jj c RCωω•••===+-式1；RCUi Uo图2.3一阶高通滤波电路令1l RC ω=, 有：122l l f RCωππ== 式2； 带入式1可得：1ar 1lU l f ctg A f f jf•==- 式3；则幅频特性：u A =，有：20lg u A =-式4；相频特性：lf arctgfϕ= 式5； 由以上各式可知：若l ff ，有1l f f，则:20lg 0u A ≈，00ϕ=；若l ff ，有1l f f，则：20lg 20lg20lg l u l f f A f f =-=，090ϕ=；若l f f =，有1lf f=，则：20lg 3u A =-，045ϕ=。

2、高阶滤波电路可以由低阶滤波电路级联而成，由此可得二阶高通滤波电路图如图2.4所示。

分析可得其传输函数:121212211111()//=1o U ijwc R R jwc jwc U A U R jwc •••-⨯++=+式6；由以上分析可得，一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，过渡带较宽，幅频特性衰减小，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。

增加RC 环节，变成二阶高通可加大衰减斜率。

三阶以上滤波器可由一阶和二阶滤波器级联而成。

图2.4 二阶高通滤波电路三，集成运放加反馈电路部分设计集成运放应用在信号的运算和处理中，以输入电压为自变量，以输出电压作为函数。

当输入电压变化时，输出电压将按一定的数学规律变化，即输出电压反映输入电压某种运算的结果。

为了实现本设计的通频带放大增益，对于基于理想运放的放大电路，采用“虚短”和“虚断”的分析方法，运放电路中应引入负反馈，使净输入量趋于零，才能保证集成运放工作在线性区。

为了稳定输出电压，引入电压负反馈。

运放电路的特征是从集成运放的输出端到其反相输出端存在反馈通路。

根据设计要求，输入端是信号电压源，输出端要求得到稳定的电压，因此放大电路中应引入电压串联负反馈或电压并联负反馈。

根据以上分析，可得电路设计如下：1） 同相比例运算电路：根据“虚短”和“虚断”的分析方法， 有p N iU U U ==,净输入电流为零，因而可解得输出电压和输入电压关系：110(1)N O Nff O iU U U R R R U U R --==+式7；2） 反相比例运算电路：根据“虚短”和“虚断”的分析方法,图2.5同相比例运算电路由输入电流为0P N i i ==,可得0p N U U ==为“虚地”，即可得：1fR R i i =;1i N N ofU U U U R R --= 式8；整理可得输出电压和输入电压关系：1f o iR U U R =-式9；由以上分析可知，两个运算电路特点如下:1) 反相比例运算电路引入了深度电压负反馈，且1AF +=∞，输出电阻0o R =。

尽管理想运放电路的输入电阻为无穷大，但是由于电路引入的是并联负反馈，故其输入电阻不大。

2）同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的特点。

2.3 总体设计滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。

滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的截止频率（没有特殊的说明时一般为-3dB 截止频率），通带传输增益。

阻带指标为带外传输增益的衰减速度。

根据前面的分析，可设计出简单高通滤波电路和高阶滤波电路。

采用反相输入设计时，图2.6 反相比例运算电路系统的传输函数较复杂，故采用同相输入设计。

由于二阶高通滤波器滤波效果不够好，幅频特性衰减率较低，而阶数过高则电路复杂，成本较高。

因此，采用四阶有源滤波电路比较合理。

2.4 元器件参数设计实际滤波器的基本参数：理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。

在通带和阻带之间存在一个过渡带，在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。

当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。

因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。

理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，故需用更多参数来描述。

理想滤波电路的频率响应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。

实际的滤波电路往往难以达到理想的要求。

如果同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更为困难。

巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，本次设计采用巴特沃斯有源高通滤波电路。

设计截止频率100f Hz =的高通滤波器。

电容器C 的容量应在微法数量级，电阻的阻值应在几百千欧以内。