115-李治兵-无源滤波器设计要点
无源电力滤波器的设计与调试_secret
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1、滤波器参数选择原则 原则：最小投资；母线 THDU 和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证 安全、可靠运行。
参数设计、选择前必须掌握的资料： 1）系统主接线和系统设备（变压器、电缆等）资料； 2）系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等； 3）谐波源特性（谐波次数、含量、波动性能等）； 4）无功补偿要求；要达到的滤波指标； 5）滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求 以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。 本案例 1 段母线滤波器接线（图纸拷贝）……。
4）参数设计涉及技术指标、安全指标和经济指标，往往需经多个方案比较后才能确定。 4、滤波器方案与参数的分析计算
1）确定滤波器方案 确定用几组单调谐滤波器，选高通滤波器截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要 求。 例如：三相全波整流型谐波源，可设 5、7、11 次单调谐滤波器，高通滤波器截止频率 选 12 次。无功补偿要求从容量需求平衡角度，通过计算综合确定。 2）滤波器基本参数的分析 电容器基本参数：额定电压 UCN、额定容量 QCN、基波容抗 XC，而 XC=3 U2CN/ QCN （这里 QCN 是三相值）。 为保证电容器安全运行，电压应限制在一定范围内。
1 段母线补偿电容器和滤波器同时运行仿真示例：
仅滤波器投入运行的仿真示例。……。
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四、设备定货、施工和现场调试
1、拟合标准指标与产品定货 按设计参数选配、拟合标准规格电容器，考虑电抗器调节范围，提出温升、耐压、损耗 等指标。 电容器要求+误差，电抗器±5%可调，电容器质量…。 注意滤波电容器，干式、油侵电容器等问题……。 2、工程施工需要注意的问题 LC 滤波器属工程，结合用户现场条件、情况，设计单位应提供完善的工程资料，安装、 施工要求；由于滤波器现场安装，要求工程单位按设计施工、保证质量；做详细安装检查， 保证连接正确，防止相序、设备接线错误 案例施工中的问题：连接、保护…… 3、现场调试主要要求和方法 1）要求：保证系统可靠运行，避免系统与滤波器谐振造成的谐波放大；投切过电压限 制在有效范围内；保证滤波本身安全运行，不会导致电容、电感、电阻等不发生稳态过负荷， 以及投、切时的过电压、过电流不损坏本体设备。 其中，多数与设计有关……。 2）步骤：测量各种工况谐波；计算系统和滤波器频率特性，研究是否可能出现谐波放 大，决定滤波器是正调偏还是负调偏；计算调整后的过电压、过电流；分析、考虑配置的保 护，避雷器对投切、断路器重燃过电压有重要作用；编写滤波器投入方案，测量考核滤波效 果。
无源滤波器和有源滤波器实验报告
无源滤波器和有源滤波器实验报告无源滤波器和有源滤波器实验报告引言滤波器在电子领域中起着至关重要的作用，它可以帮助我们去除信号中的噪声，提高信号的质量。
无源滤波器和有源滤波器是两种常见的滤波器类型，它们在电路结构和性能特点上有所不同。
本实验旨在通过搭建无源滤波器和有源滤波器电路，比较它们的滤波效果和特点。
实验一：无源滤波器无源滤波器是由被动元件（如电阻、电容、电感）构成的滤波电路。
在本实验中，我们选择了RC低通滤波器进行研究。
1. 实验目的通过搭建RC低通滤波器电路，研究其频率特性和滤波效果。
2. 实验步骤a. 准备工作：收集所需器件和元件，包括电源、电阻、电容、示波器等。
b. 搭建电路：按照电路图连接电阻和电容，接入电源和示波器。
c. 调节参数：调节电源电压和示波器参数，使电路正常工作。
d. 测试频率响应：输入不同频率的信号，观察输出波形和幅度变化。
3. 实验结果通过实验观察，我们得到了RC低通滤波器的频率响应曲线。
在低频情况下，输出信号基本与输入信号保持一致；而在高频情况下，输出信号的幅度会逐渐降低，起到了滤波的作用。
这是因为电容器在高频情况下的阻抗较小，导致信号通过电容器的路径而绕过电阻。
实验二：有源滤波器有源滤波器是由主动元件（如运算放大器）和被动元件组成的滤波电路。
在本实验中，我们选择了Sallen-Key低通滤波器进行研究。
1. 实验目的通过搭建Sallen-Key低通滤波器电路，研究其频率特性和滤波效果。
2. 实验步骤a. 准备工作：收集所需器件和元件，包括电源、运算放大器、电阻、电容、示波器等。
b. 搭建电路：按照电路图连接运算放大器、电阻和电容，接入电源和示波器。
c. 调节参数：调节电源电压和示波器参数，使电路正常工作。
d. 测试频率响应：输入不同频率的信号，观察输出波形和幅度变化。
3. 实验结果通过实验观察，我们得到了Sallen-Key低通滤波器的频率响应曲线。
与RC滤波器相比，Sallen-Key滤波器具有更好的滤波效果和增益稳定性。
无源低通滤波器设计
无源低通滤波器设计一、技术指标通带允许起伏：-1dB 0≤f ≤5kHz 阻带衰减： ≤-15dB f ≥10kHz二、设计原理本设计采用巴特沃斯(Butterworth)滤波器。
巴特沃斯滤波器是最基本的逼近函数形式之一，它的幅频特性H(j ω)的模平方为222)(11)(⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛ωω+=ωN c j H式中，N 是滤波器的阶数；c ω是滤波器的截止角频率，当c ω=ω时，21)(2=ωj H 。
不同阶次的巴特沃斯滤波器特性如图所示，这一幅频特性具有以下特点：图1 巴特沃斯滤波器幅频相应(1) 最大平坦性：在ω=0点，它的前(2N-1)阶导数为零，即滤波器在ω=0附近一段范围内是非常平直的，它以原点的最大平坦性来逼近理想低通滤波器。
(2) 通带和阻带的下降的单调性，具有良好的相频特性。
(3) 3dB 的不变性：随着N 的增加，通带边缘下降越陡峭，越接近理想特性。
但无论N 是多少，幅频特性都经过-3dB 点。
当c ω>ω时，特性以20NdB/dec速度下降。
三、设计步骤(1) 求滤波器阶数N由给定的技术指标写出滤波器幅频特性)(ωj H 在srad p /10523⨯⨯=πω和s rad s /101023⨯⨯=πω两特定点的方程：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧-=+=-=+=15))(11lg(20)(lg 201))(11lg(20)(lg 2022Nc s sN c p p j H j H ωωωωωω 联立方程，消去C ω，求解NN =log 10(101510−110110−1)2log 10(105)=3.4435取整后得到要求的阶数N=4。
(2) 求衰减为-3dB 的截止角频率cω，将N=4代入)(s j H ω的表达式得到∣H(j ωs )∣=√1+(2π×10×103ωc)2×4=10−1520即srad c /4306211010102815203=-⨯⨯=πω(3) 求滤波器的系统函数H 。
无源滤波器实验报告总结
无源滤波器实验报告总结研究背景无源滤波器在信号处理领域具有重要的作用。
它是一种不使用能量源的滤波器，可以对信号进行滤波和频率选择，并且具有简单、方便、高可靠性等特点。
因此，研究无源滤波器的性能和设计方法对于电子工程技术的进一步发展具有重要意义。
实验目的本实验通过搭建无源滤波器电路，探究无源滤波器的工作原理、性能特点和设计方法，并通过实际测量和分析来验证相应理论。
实验设备和材料•函数发生器•滤波器电路实验箱•负载电阻和电容•示波器•万用表实验步骤1.搭建低通滤波器电路2.输入不同频率的正弦信号3.调节函数发生器频率，并记录输出电压幅值和相位差4.测量滤波器的截止频率和衰减特性5.计算滤波器的增益和相位响应实验结果与分析搭建低通滤波器电路根据实验箱的电路图，我们按照图中的连接方式搭建了一个低通RC滤波器电路。
电路图如下：// 此处省略电路图的ASCII码表示，仅为演示R ----+-----+------ Output| |C R| |GND |VInput测量截止频率与衰减特性通过调节函数发生器的频率，并记录输入信号的幅值和输出信号的幅值，我们可以绘制出滤波器的频率响应曲线。
根据实验结果，我们计算出滤波器的截止频率为10kHz，衰减特性为-20dB/dec。
计算增益与相位响应根据输入信号与输出信号的幅值和相位差，我们可以计算出滤波器在不同频率下的增益和相位响应。
例如，当输入信号频率为1kHz时，滤波器的增益为0.707（即-3dB），相位差为45°。
结果讨论从实验结果可以看出，无源滤波器能够对输入信号进行滤波和频率选择，且其性能特点与理论预期一致。
通过测量和分析，我们验证了滤波器的截止频率、衰减特性、增益和相位响应，为进一步研究和应用无源滤波器提供了基础。
结论通过本次实验，我们深入了解了无源滤波器的工作原理、性能特点和设计方法。
实验结果验证了滤波器的截止频率、衰减特性、增益和相位响应。
无源滤波器作为一种简单、方便、高可靠性的滤波器，具有广泛的应用前景，可以在电子工程技术中发挥重要作用。
无源滤波器优秀课件
滤波器旳基本知识
(三)滤波器旳主要特征指标 ④固有频率: f0=w0/(2)为电路没有损耗时，滤波
器旳谐振频率，复杂电路往往有多种固有频率。
2、增益与衰耗
滤波器在通带内旳增益并非常数。 ①对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时旳增益；
例14-4 试设计转折频率C=103rad/s旳低通和高通滤波电路。
解：根据前面对多种RC滤波电路特征旳讨论，假如用图 14-6(a)和图14－8(a)一阶RC滤波电路，则需要使电路 参数满足条件 RC 1 0.1s
C
假如选择电容为C=1F，则需要选择电阻R=1k 来满 足转折频率旳要求，实际滤波器设计时还得根据滤波器旳 其他要求和详细情况来拟定。
图14－9(a)
14-11
若用图14－9(a)二阶RC低通滤波电路，则需要根据式
(14-19)拟定电路参数值，即RC=0.3742/C=0.374210-3s。
假如选择电容C=1F，则需要选择电阻R=374.2。
若用图14-11(a)二阶RC高通滤波电路，则需要根据式
(14-21) 拟定电路参数值，即RC=1/0.3742C=2.672410-3s。
对于输入信号相位旳变化，称为相频特征。
滤波器旳基本知识
(三) 滤波器旳主要特征指标 1、特征频率：
①通带截频: fp=wp/(2)为通带与过渡带边界点旳 频率，在该点信号增益下降到一种人为要求旳 下限。
②阻带截频: fr=wr/(2)为阻带与过渡带边界点旳 频率，在该点信号衰耗(增益旳倒数)下降到一人 为要求旳下限。
– 按功能分：低通、高通、带通、带阻
一阶二阶无源所有滤波器正确设计
一阶二阶无源所有滤波器正确设计滤波器是电子系统中常见的重要组件，它能够去除不需要的信号成分或频率，并保留感兴趣的信号。
滤波器设计的目标是在给定频率范围内实现所需的频率响应，同时具有稳定性和较小的幅度失真。
一阶和二阶滤波器是最简单且常用的滤波器设计类型，下面将介绍一阶低通滤波器、一阶高通滤波器、一阶带通滤波器、二阶低通滤波器和二阶高通滤波器的设计原理和步骤。
一、一阶低通滤波器（RC滤波器）一阶低通滤波器能够将高于截止频率的信号成分削弱或消除。
RC滤波器由一个电阻和一个电容组成，因此也称为RC电容滤波器。
设计步骤如下：1. 确定所需的截止频率fc。
2. 计算电容C的值，公式为C = 1 / (2πfc)。
3.选择一个适当的电阻R值，可以根据需要来调整输出的阻抗。
4.连接电容和电阻，将输入信号与地相连，输出信号从电容连接点获得。
二、一阶高通滤波器（RL滤波器）一阶高通滤波器能够削弱或消除低于截止频率的信号成分。
RL滤波器由一个电阻和一个电感组成。
设计步骤如下：1. 确定所需的截止频率fc。
2. 计算电感L的值，公式为L = 1 / (2πfc)。
3.选择一个适当的电阻R值，可以根据需要来调整输出的阻抗。
4.连接电感和电阻，将输入信号与地相连，输出信号从电阻连接点获得。
三、一阶带通滤波器（RLC滤波器）一阶带通滤波器能够选择性地通过一定范围内的频率信号。
RLC滤波器由一个电阻、一个电感和一个电容组成。
设计步骤如下：1. 确定所需的中心频率fc和带宽BW。
2. 计算电感L和电容C的值，公式为L = 1 / (2πfc) 和 C = 1 / (2πfcBW)。
3.选择一个适当的电阻R值，可以根据需要来调整输出的阻抗。
4.连接电感、电容和电阻，将输入信号与地相连，输出信号从电阻连接点获得。
四、二阶低通滤波器（RLC滤波器）二阶低通滤波器能够更好地削弱或消除高于截止频率的信号成分。
RLC滤波器由两个电阻、一个电感和一个电容组成。
无源电力滤波器设计-38页精品文档
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为极值问题求解。从而确定，并进一步求得C、L、R。
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无源电力滤波器设计方法
二阶高通滤波器设计
确定高通滤波器支路的基波无功容量为：Q hc1Q c1Q hc1
其中，Q c 1 为系统需要补偿的总的无功功率； Q hc1 为单调谐支路的无功功率
Q h1 p Q hc1 / 3
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其它分析、计算工作
1）滤波支路等值频偏（总失谐度）的计算
ff1112(LLCCr)
2）滤波支路品质因数q值的计算
qct(gs/2)1coss 2 2sins
其中，δs为滤波器接点看进去的系统等值阻抗角。 3）滤波器性能和二次保护等分析计算 滤波器设计的技术性很强，需有专门的程序。除参数计
实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。
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无源电力滤波器基础知识
单调谐滤波器
滤波器对n次谐波（n nS ）的阻抗为：
二阶高其通阻滤抗波为器：Z Z nf njn R1 fnS C j( n(R 1 SL jn n 1 1S SC L)) 1
传统设计方法
该设计方法仅对部分指标基于工程经验的近似求解，无法实现优化； 即其LC参数的求取是通过反复计算和比较来实现的，以满足分组的无 功补偿和谐波标准的要求，很难实现全局优化。
最小容量优化设计 多目标优化设计
优化设计方法 自适应进化设计
遗传算法设计 改进的遗传算法设计 、、、、、、
根据具体应用条件和要求，依某一个或两个指标为目标，用非线性规 划或遗传算法等进行优化设计，这些设计方法能实现一定程度的优化。
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1 长 沙 学 院 数电课程设计说明书 题目 无源滤波器设计 系(部) 电子信息与电气工程系 专业(班级) 11级电子信息工程1班 姓名 李治兵 学号 2011026115 指导教师 龙英、刘亮、陈希 起止日期 2012.12.24-2012.12.30 2
数字电子技术课程设计任务书(11) 系（部）：电子与通信工程系 专业：电子信息工程 指导教师：龙英 课题名称 无源滤波器设计
设计内容及要求
1. 技术参数 1) 了解4种无源滤波器的功能，熟悉无源滤波器的构造。 2) 根据测试数据，简要说明电路的工作原理及本电路能达到的实用功能； 3) 采用Multisim软件完成4种滤波器电路设计，要求仿真通过： a).低通滤波器 b).高通滤波器 c).带通滤波器 d).带阻滤波器 2. 设计要求 (1)求出所设计滤波器各参数： 低通滤波器、高通滤波器：截止频率。 带通滤波器、带阻滤波器：中心频率、带宽、品质因素。 (2)计算并选择电路元件及参数； (3)仿真调试电路； (4)撰写设计报告及使用说明书。
设计工作量
1、系统整体设计； 2、系统设计及仿真； 3、在Multisim或同类型电路设计软件中进行仿真并进行演示； 4、提交一份完整的课程设计说明书，包括设计原理、仿真分析、调试过程，参考文献、设计总结等。
进度安排
起止日期（或时间量） 设计内容（或预期目标） 备注 第一天 课题介绍，答疑，收集材料 第二天 设计方案论证 第三天 进行具体设计 第四天 进行具体设计 第五天 编写设计说明书
教研室 意见 年 月 日 系（部）主管领导意见
年 月 日 3
长沙学院课程设计鉴定表 姓名 李治兵 学号 2011026115 专业 电子信息工程 班级 1班 设计题目 无源滤波器设计 指导教师 龙英 指导教师意见：
评定等级： 教师签名： 日期： 答辩小组意见：
评定等级： 答辩小组长签名： 日期： 教研室意见：
教研室主任签名： 日期： 系（部）意见：
系主任签名： 日期： 说明 课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类； 4
目 录 一．无源滤波器的简介 ..................................... 5 1.无源滤波器定义 ..................................................................... 5 2.无源滤波器的优点 .................................................................. 5 3.滤波器的分类 ....................................................................... 5 4.无源滤波器的发展历程 ............................................................. 5
二．无源滤波器的工作原理与电路与电路分析 ................. 6
1.工作原理 ........................................................................... 6 2.电路分析 ........................................................................... 7
三．设计思路及电路仿真 ...................................11
1.无源低通滤波器 .................................................................... 11 2.无源高通滤波器 .................................................................... 11 3.无源带通滤波器 .................................................................... 12 4.无源带阻滤波器 .................................................................... 13
四．设计心得与体会 .......................................15
五．参考文献 .............................................15 5
一．无源滤波器的简介 1.无源滤波器定义 无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。
2.无源滤波器的优点 无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。
3.滤波器的分类 ⑴ 按所处理的信号 按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 ⑵按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 ⑶ 按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。
4.无源滤波器的发展历程 （1）1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。 （2）20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。 （3）自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展； （4）到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。 （5）80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。 （6）90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。 当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 6
二．无源滤波器的工作原理与电路与电路分析 1.工作原理 滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号作为输出。电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。 电滤波器是Campbell和wagner在第一次世界大战期间各自独立发明的，当时直接应用于长途载波电话等通信系统。电滤波器主要由无源元件R、L、C构成，称为无源滤波器。 滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H(S)来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下
)()()(0SUSUSHi （1）
式中UO(S)、Ui(S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。在正弦稳态情况下，S=jω，电压转移函数可写成 )(0)()()()(jiejHjUjUjH
（2）
式中Hj()表示输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；(ω)表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。 本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。滤波器按幅频特性的不同，可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种，图附录1—1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。 低通滤波电路，其幅频响应如图1(a)所示，图中|H(jωC)|为增益的幅值，K为增益常数。由图可知，它的功能是通过从零到某一截止频率ωC的低频信号，而对大于ωC的所有频率则衰减，因此其带宽B=ωC。 高通滤波电路，其幅频响应如图1(b)所示。由图可以看到，在0c
的频率为通带。
带通滤波电路，其幅频响应如图1(c)所示。图中ωCl为下截止频率，ωCh为上截止频率，ω0为中心频率。由图可知，它有两个阻带：0ωCh，因此带宽B=ωCh-ωCl。 带阻滤波电路，其幅频响应如图1(d)所示。由图可知，它有两个通带：0ωCh和一个阻带ωClωCh也是有限的。
(a)低通滤波电路 (b)高通滤波电路