有源高通滤波器地设计.doc
有源高通滤波器的设计 滤波器简介与其原理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。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。1 设计方案根本原理：根据滤波器根本原理的介绍，可得出根本框图，如图1所示：输入信号滤波电路集成运放反应电路输出信号图1有源高通滤波器的原理图L时，幅值衰减大于50dB。由于在高通滤波器中，当角频率小于截止角频率即w<wc时，传递函数随W增加以n×L,幅值衰减80dB。2 单元电路的设计计算 第二局部 第一局部图2四阶高通滤波电路示意图 该四阶高通滤波电路由两局部结构相似的二阶滤波电路共同构成如上图2所示。有源高通滤波器要求通带电压放大增益|Av|=5，由 Av=A1*A2 式1可以将一二局部的电压增益分别设定为A1=2.5，A2=2，以满足总的通带电压放大增益|Av|=5。2. 核心元件选择指导教师建议使用的两种运算放大器为LM741型和 LM353型，从中任选一种，选取了LM741型仿真中实际为LM741J。3. 电路元件选择由所学知识可知，电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻器的阻值一般应在几百千欧以内，现选择C11=C12=C21=C22=C=270nF,根据 R=1/(2fcC) (式2) 并将fc=100Hz ，C=270nF带入，求得 R11=R12=R21=R22=R,选择标准电阻，这与计算值有一点误差，可能会导致实际的截止频率比额定值有所降低。在选择R5，R6,RF1,和RF2时，为了减少偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地直流电阻根本一样。现选择RF1,，RF2，由于我们需要达到A1=2.5，A2=2的设计要求，故根据 A1=1+ RF1/R5 ，A2=1+ RF2/R6 (式3)可以得到 R5 ， R64. 参数复核将以上设定与所求得各参数：C11=C12=C21=C22=C=270nF，R11=R12=R21=R22=R,R5 ， R6反代回电路中，结合式2(式3)可以计算出 第一局部的电压增益A1=2.5，第一局部的电压增益，A2= 2，再结合 式1，可以求得 Av =A1*A2×2=5，满足有源高通滤波器要求通带电压放大增益|Av|=5的要求，且为四阶电路，理论上当f=L,L时，幅值衰减大于50dB的设计要求。通过以上复核过程，可知该四阶高通滤波电路各参数的选取符合条件，可以满足设计要求。3 总体设计1. 总电路图如下所示图5 四阶高通滤波仿真电路图2. 元件明细表表1 元器件明细表名称R1R2R3R4R5R6R7R8阻值 K名称C1C2C3C4容 量nF270270270270名称示波器扫频仪交流电压源代号XSC1XBP1数量1113. 综合分析计算 R=1/(2fcC)选定 C1=C2=C3=C4=C=270nF，如此R1=R3=R4=R2=R7=R8计算求得 A1=1+ R5/R6=1+K A2= 1+R7/R8=2 Av =A1*A2 =2.5*2=54 仿真 f=1kHZ时，示波器显示输出如下:图6 f=1kHZ波形由图可知，在输入信号频率f=1kHZ时，信号无损通过滤波器，通频带放大倍数为5，满足设计要求。当电源频率 f=1kHZ时，示波器显示输出如下:图7 f=100HZ波形由图可知，当信号频率低于截止频率时，输出信号被抑制，起到滤波作用。2. 幅频特性当信号频率f=100HZ时幅频特性如下列图：图8 f=100HZ幅频特性当信号频率f=10HZ时幅频特性如下列图：图9 f=10HZ幅频特性通过上面图8和图9的比照，我们可以看到，当信号频率由原来的LL,幅值衰减80dB的结论。 图10 交流分析幅相频特性 纵坐标单位：幅频特性是dB，相频特性是度。横坐标单位：幅频特性与相频特性均是HZ。由幅频特性图可以看到，滤波器的截止频率处，对应的横坐标是95.627HZ，对应的对数坐标为19.148dB。由相频特性图可以看到，接近于截止频率处时，对应的相位偏移接近18 0，与理论计算相似，在误差允许下验证了设计的准确性5 接线验证为了再进一步地对所设计的的电路进展验证，除了通过上述的仿真过程，还在实验室进展了接线验证工作。由于实验室硬件条件所限，一时间无法满足搭建整个四阶电路的要求。于是小组征得指导教师同意后，搭建了二阶高通滤波电路，原理如如下图所示：图11 压控电压源二阶高通滤波电路具体的接线情况以与得到的实际波形如如下图12和图13所示： 图12 二阶高通滤波电路接线图13 二阶高通滤波实际波形图通过以上的二阶电路的接线操作，可以从实践的角度对我们的设计电路进展充分的验证。从得出的实际波形图可以看出，与我们在计算机仿真中得到的结果根本一致。再度印证了设计电路与所选取的各元件参数是符合设计要求的。6 小结通过本次设计深刻理解了滤波器的工作特点，掌握了电子系统的一般设计方法，常用元器件的识别能力和测试培养综合应用所学知识来指导实践的能力。进一步熟悉了常用仪表，了解了电路调试的根本方法。更重要的是，掌握了撰写设计报告的格式与流程，进一步提高了自己的动手实践能力。 但是，从中所暴露出的问题更值得重视。 首先，在设计中暴露出了对原理的掌握不够结实的问题。这也造成了在设计的一开始遇到困难重重，尤其是在参数计算的过程中，浪费了大量的精力和时间，事倍功半。 再者，在进实验室进展接线时同样暴露了很大的短板。之前做实验照图接线，此次完全由自己进展操作，过程中反复出现低级失误。 以上的问题充分说明了进一步严格要求自己，提高自己对课本理论知识和实践能力的重要性和必要性。这也是此次课程设计中最有意义的收获和感悟。
