课程设计(论文)说明书

题    目：  有源滤波器的快速设计

院 （系）：   信息与通信学院     

专    业：      通信工程        

学生姓名：               

学    号：           

指导教师：              

          职    称：              

2011年12月28日

摘  要

使用FilterLab 软件，可以简化低通滤波器设计过程，减轻技术人员设计低通滤

波器的工作量，是值得推广的好方法。本次实验设计的是巴特沃兹的4阶低通滤波器，截止频率为500Khz。

关键词：filterLab；巴特沃兹

Abstract

Use FilterLab software, can simplify the low-pass filter design process, reduce technical personnel low-pass filter design Chopper workload, is worth the promotion of good method. The experimental design is the woz bart 4 order low-pass filter, cut-off frequency for 500 Khz.

Key words: FilterLab; Butterworth

引言………………………………………………………………………………3

3.3 软件设计…………………………………………………………………..…….…....... 10 

引言

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于信号 处理、数据传输和干扰抑制等方面，有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频率的信号有抑制作用。有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。但对于滤波器设计的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，采用普通实验设计方法不仅解决不了上述问题，还花费大量时间和设计成本，以至于设计出的产品价格昂贵，电路噪声大等质量问题也不尽人意。因此，对有源低通滤波器的设计新方法探讨，仍有积极的实际意义。随着集成运放的广泛应用,有源滤波器的应用更为广泛  ,因此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题  ,本文采用了先进的FilterLab 软件进行快速设计。

1.  滤波器设计原理

1.1 有源低通滤波电路基本概念及其现状 

滤波电路的作用就是允许某段频率范围内的信号通过，而阻止或削弱其他频率范围的信号。有源滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，又称为有源滤波器。有源滤波器能 够在滤波的同时还能对信号起放大作用，这是无源滤波无法做到的。根据滤波电路通过或者 阻止信号频率范围不同，可将滤波电路分为低通、高通、带通河带阻电路。本文讨论的是有源低通滤波电路的设计与仿真研究。有源低通滤波电路能够通过低频信号，抑制或衰减高频信号。

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。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。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，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。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。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。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。

1.2滤波器的分类及优缺点

 滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种。（1）按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。（2）按选择物理量分类---按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围分类---按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。

有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600千瓦。其运行可靠性也不及无源。 

一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是一定的。目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。

1.3 有源低通滤波电路的组成和实验原理

二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC 环节和同相比例放大电路构成，电路如图所示。

    图1 有源低通滤波二阶电路

其通带电压放大倍数即为同相比例放大电路的放大倍数：

 其传递函数：                         其中：   Wo=1/RC   截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

   品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

图2 不同Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线

通过分析可知：当信号频率大于截止频率时信号的衰减率只有20dB/十倍频。而且在截止频率附近，有用信号也受到衰减。二阶压控有源低通滤波电路衰减可以达到40dB/倍频。而且在截止频率附近，有用信号可以得到一定 提升。如果Q =0.707 时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q >0.707 时,幅频特性将出现峰值。因此，我们后面要用到巴特沃斯归一化方法设计电路图参数。

1.4有源低通滤波器的运放

运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。

运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。）

实际是有要求的。首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电阻产生过大的影响 。其次运放的开环增益AV0要足够大。但由于这些条件非常容易满足，因此在设计有源二阶低通滤波器时，不考虑。但在仿真时，不同的运放对滤波器的指标还是有影响的。

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)四种滤波器，它们的幅频特性如图2-1所示。

由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。

（a）低通                       　  （b）高通

(c) 带通  　　 　　             （d）带阻

图3四种滤波电路的幅频特性示意图

2.  使用FilterLab 软件设计低通滤波器

FilterLab 软件是Microchip 公司专为单片机应用而开发的低通滤波器计算机辅助设计软件，资源开放又简单易学。

例如设计一个Butterworth 低通滤波器，通带频率为3 Hz，衰减30 dB/十倍频程，Sallen Key 类型的电路，在3 Hz 只有0.1 dB的衰减。

第1 步：启动FilterLab 软件，选择Filter/Design 菜单，然后在屏幕弹出的窗口中选择Filter Specification 页面，选择Butterworth 和Lowpass。

第2 步：选择Filter Paramenters 页面设置窗口中滤波器参数。

通带衰减：设置范围为0.01 dB～3 dB

阻带衰减：设置范围为－10 dB～－100 dB

通带频率：设置范围为0.1 Hz～1 000 000 Hz

阻带频率设置：衰减某dB 值时的频率值。

第3 步：在Circuit 页面选择电路形式。在该页面可以选择Sallen Key 电路形式或是MPB 电路形式；另外，用鼠标点击右侧电路的电容，可以决定电容值是自动生成还是人工选择。还可以选择电路中的电阻值是采用1％误差的标准电阻，还是采用精确阻值的电阻。设置完成后，单击确定，就可以查看频率特性、电路。

第4 步：查看频率特性。进入Frequency页面，可以观察所设计滤波器的幅频和相频特性。

第5 步：查看电路参数。进入Circuit页面,可以看到电路与电路参数。

可以看出，FilterLab 有源滤波器软件提供了完全的滤波电路原理图与元件值，可以显示出频率响应并计算出各元件的数值。从而大大地减少了设计有源滤波器的工作。

3.  总体设计

3.1 电路设计总体思路

图4原件设计表格图

本次课程设计我设计的截止频率为10Khz，取AV=2，由图4可知，C=0.01uf，代入公式：                 K=100/(fc*C)      （2–4）

注释：C以uf作为单位，fc以hz为单位。K值不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入的误差增加，通常选择1《 K《10。得K=1，符合要求。

代入图4得：R1=1126欧姆，R2=2250欧姆，R3=6752欧姆，R4=6752欧姆；

3.2仿真及幅频特性测量

通过multisim仿真软件对上述电路进一步修正，修正的结果为图5：

图5 仿真设计图

其频域仿真结果为图6：

图6 multisim仿真得到的频域图

上图所示，仿真出来的效果基本达到设计要求。但是仍有微小误差，误差原因可能是电阻值由于外界环境因素存在波动，仿真软件精度不够等原因。

3.3软件设计

图7 FilterLab设计图

  用电笔检查各处连线是否正常导通。

  接上9V直流电源，进行实验。

  各电路接通，再未接输入时，所以LED是不亮的。

 开始输入不同的电压，观察LED的亮灭是否符合标准。

  经过调试，所有指标均已符合，实验成功。

本次实验最大的收获是如何寻找技术资料，由于没有找对资料，第一次设计并制作的电路板并没能实现预期的功能。在同学的帮助下，我看到了英文版的PDF，并成功设计制作了电路板。可见事先的准备工作是多么的重要。

谢  辞

感谢在整个课程设计过程中帮助过我的每一位人。

首先，也是最主要感谢的是我的指导老师，田克纯教授。在整个过程中他给了我很大的帮助，老师非常的平易近人，并很好地启发我们，引导我们去解决问题。

其次，要感谢帮我查资料提出意见的每一位同学，他们在我制版到板的调试过程中不断地给我提出意见，并提供方案给我参考，使我顺利完成这次课程设计。

参考文献

[1] 马淑华.模拟电路设计与运用.北京邮电大学出版社.2003

[2] Sanjit.Mitra.Digital Signal Processing A Computer-Based Approach，Third Edition[M].北京：电子工业出版社，2009.

 王卫东.高频电子电路.电子工业出版社.2009

[4] 蒋卓勤、邓玉元.Multisim及其在电子设计中的应用 西安电子科技大学出版社.2003

[5] 赵景波、向华. Protel 99 SE基础教程 人民邮电出版.2009

附  录

原理图

图8 原理图

仿真图

图9 仿真电路图下载本文