二阶有源滤波器设计实验报告
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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“Electronic Design Automation”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(LABⅥEW 8)(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属于自己的仪表。极提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在
教学活动中已经得到了很好的体现。
2 二阶有源低通滤波器的设计
2.1 设计指标:
通带增益AUF=2dB;
品质因数Q=0.707;
截止频率fH =3.4kHz;
阻带衰减:不小于︳-40dB/10oct |;
2.2 设计框图
图1 二阶有源低通滤波器设计框图
2.3 各部分电路的作用
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。
电路中运用了同相输入运放,其闭环增益 RVF=1+R4/R3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。
将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端,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。
2.4 仿真电路图:
图2所示的电路是由Sallen和Key于1955年提出的,电路中采用了一个同相放大器,由于无源RC电路部分反馈到运放的同相端,因此它为正反馈电路。由两节RC滤波器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。
图2 仿真原理图
同相放大电路的电压增益即低通滤波器的电压增益
2
4
1
R
R
A
A
VF
O
+
=
=
传递函数:
2
2
2
)
(
c
c
c
O
s
Q
s
A
s
A
ω
ω
ω
+
+
=
其中:
VF
c A
Q
RC-
=
=
3
1
1
ω
低通电路的上限频率
H
f,要求kHz
f c
H
4.3
2
=
=
π
ω
,取C
1
=C
2
=1000pF
可求得:R
1
|=R
3
=46.8k, 取47k,取Q=0.707,则A
VF
=1.586 取R
4
=39k R
2
=68k 2.4 波形仿真:
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