仪器电子技术-第三章有源滤波器PPT课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,仪器电子技术,吕勇,lvyong,2010,1,预习,第三章 有源滤波电路,滤波器参数,滤波器传递函数,滤波器逼近方法,滤波器设计方法,集成有源滤波器,2,第三章 有源滤波电路,第一节 基础知识,一、滤波器的用途,二、分类,三、参数,四、二阶滤波器传递函数,五、滤波器的逼近,第二节,RC,有源滤波器电路,第三节,RC,有源滤波器设计,第四节 开关电容滤波方法简介,第五节 集成有源滤波器简介,第六节 应用举例,3,第一节 基础知识,一、滤波器概念与用途,具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有,滤除噪声,和,分离各种不同信号,的功能。,4,测量信号,表面轮廓,形状误差（准直流）,波度（低频）,表面粗糙度（中频）,噪声（高频）,5,二、分类,频率与功能特性：,低通（,LPF,）、高通（,HPF,）、带通（,BPF,）、带阻（,BEF,）滤波、全通滤波器,器件特点：,无源滤波器,RLC,滤波器、晶体滤波器、压电陶瓷、声表面波滤波器,(SAW),、机械滤波器,有源滤波,RC,有源滤波、开关电容滤波器,(SCF),信号形式：,模拟滤波器、数字滤波器,阶数：,1,、,2,、,3,.N,6,三、参数,c),a),b),O,A(,),O,A(,),O,A(,),d),O,A(,),表示最大通带衰减,通带角频率,阻带最小衰减,阻带边缘角频率,截止频率,固有频率,7,1,、特征频率：,通带截频,f,p,=,w,p,/(2,),为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。,阻带截频,f,r,=,w,r,/(2,),为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗,(,增益的倒数,),下降到一人为规定的下限。,转折频率,f,c,=,w,c,/(2,),为信号功率衰减到,1/2(,约,3dB),时的频率，在很多情况下，常以,f,c,作为通带或阻带截频。,固有频率,f,0,=,w,0,/(2,),为,电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。,2,、增益与衰耗,对低通滤波器通带增益,K,p,一般指,w,=0,时的增益；高通指,w,时的增益；带通则指中心频率处的增益。,对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。,通带增益变化量,K,p,指通带内各点增益的最大变化量，如果,K,p,以,dB,为单位，则指增益,dB,值的变化量。,三、参数,8,3,、阻尼系数与品质因数,阻尼系数是表征滤波器对角频率为,w,0,信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。,阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，,Q=w,0,/w,。式中的,w,为带通或带阻滤波器的,3dB,带宽，,w,0,为中心频率。,4,、灵敏度,滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标,y,对某一元件参数,x,变化的灵敏度记作,Sxy,，定义为：,Sxy=(dy/y)/(dx/x),。,该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。,5,、群时延函数,当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性,(w),也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数,d(w)/dw,评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数,d(w)/dw,越接近常数，信号相位失真越小。,三、参数,9,理想幅频特性,10,四、二阶滤波器传递函数,二阶传输函数,低通,带通,高通,带阻,11,20lgA/dB,-1,0,1,-40,-20,0,20,=2.5,=1.67,=1.25,=0.8,=0.5,=0.33,=0.2,=0.1,lg(,/,0,),-60,a),幅频特性,=0.2,=0.1,-1,0,1,-180,o,-90,o,=2.5,=1.67,=1.25,=0.8,=0.5,=0.33,lg(,/,0,),/,(),0,b),相频特性,低通,12,b),lg(,/,0,),=2.5,-1,0,1,0,90,180,=1.67,=1.25,=0.8,=0.5,=0.33,=0.2,=0.1,/,(),20lgA/dB),lg(,/,0,),-20,0,20,=0.1,=0.2,=0.33,=0.5,=0.8,=1.25,=1.67,=2.5,-1,0,1,-40,a),幅频特性,b),相频特性,高通,13,b),相频特性,-1,0,1,90,o,Q,=100,Q,=40,Q,=20,Q,=10,Q,=5,Q,=2.5,Q,=1,Q,=0.5,lg(,/,0,),0,o,-90,o,/,(),20lgA/dB,a),幅频特性,lg(,/,0,),-1,0,1,-60,-40,-20,Q,=0.5,Q,=1,Q,=2.5,Q,=5,Q,=10,Q,=20,Q,=40,Q,=100,0,带通,14,0,1,-20,Q,=5,Q,=2.5,Q,=1,Q,=0.1,Q,=0.2,Q,=0.5,lg(,/,0,),-40,-60,20lgA/dB,0,-1,-1,0,1,-90,o,0,o,90,o,Q,=5,Q,=2.5,Q,=1,Q,=0.5,Q,=0.2,Q,=0.1,lg(,/,0,),/,(),a),幅频特性,b),相频特性,带阻,15,五、滤波器逼近方法,近似方法,:,1,、巴特沃思近似,2,、切比雪夫近似,3,、贝塞尔近似,理想滤波器,要求幅频特性,A(,w,),在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。,16,1,、巴特沃思近似,幅频函数,传递函数,例,n=1,s1=-1,n=1,2,.,n=2,归一化：,17,2,、切比雪夫近似,0.5db,波纹,n=1S+2.863,n=2S,2,+1.425S+1.516,1db,波纹,n=1S+1.965,n=2S,2,+1.098S+1.103,18,3,、贝塞尔近似,n=1S+1,n=2S,2,+3S+3,En(),贝塞尔滤波多项式,19,.,三种方法特点,巴特沃思,：,通带内幅频曲线的幅度平坦，最平幅度逼近，相移与频率的关系不是很线性的，阶跃响应有过冲。,0.5,1.0,/,0,n,=2,n,=4,n,=5,1,2,0,A,1,-180,0,/,0,n,=5,n,=4,n,=2,-360,2,/,(),20,切比雪夫：,下降最陡，但通带之间幅频曲线有波纹。,贝塞尔,：相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。,三种方法特点,/,0,0,0.5,1,2,2,1,3,4,1.0,A,-180,-360,0,1,2,1,2,3,4,/,0,2,4,6,8,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,t/t,0,2,1,3,u,o,(,t,)/,u,i,21,第二节,RC,有源滤波器电路,一、一阶,RC,有源低通,滤波器,二、一阶,RC,有源高,通滤波器,三、压控电压源型滤波电路,四、无限增益多路反馈型滤波电路,五、双二阶环滤波电路,22,一、一阶,RC,有源,低通滤波器,I,T,23,二、一阶有源高通滤波器,传递函数：,通带增益：,截止频率：,0,1+,R,f,/,R,1,0.707(1+R,f,/R,1,),L,|,A,|,24,三、压控电压源型滤波电路,该电路压控增益,K,f,=1+,R,0,/,R,，传递函数为,u,o,(,t,),Y,2,Y,1,Y,4,Y,3,Y,5,R,0,R,u,i,(,t,),+,-,+,N,25,1,、低通滤波电路,滤波器参数为,+,-,+,N,R,0,R,u,o,(,t,),u,i,(,t,),C,1,C,2,R,2,R,1,26,2,、高通滤波器,u,o,(,t,),R,0,R,u,i,(,t,),C,2,C,1,R,1,R,2,+,-,+,N,27,3,、带通滤波器,u,i,(,t,),R,0,R,u,o,(,t,),C,1,C,2,R,1,R,2,R,3,+,-,+,N,28,4,、带阻滤波器,R,1,C,3,R,0,R,u,o,(,t,),u,i,(,t,),C,2,C,1,R,3,R,2,+,-,+,N,特点：,调整方便,易自激,Q,值较小,29,-,+,+,N,Y,4,Y,1,Y,3,Y,2,Y,5,R,u,i,(,t,),u,o,(,t,),四、无限增益多路反馈型滤波电路,30,1,、低通滤波电路,-,+,+,N,C,2,R,1,R,3,R,2,C,1,R,u,i,(,t,),u,o,(,t,),31,2,、高通滤波器,-,+,+,N,R,2,C,1,C,3,C,2,R,1,R,u,o,(,t,),u,i,(,t,),32,3,、带通滤波器,-,+,+,N,R,3,R,1,C,2,C,1,R,2,R,u,i,(,t,),u,o,(,t,),特点：,调整不太方便,稳定,对有源器件要求高,Q,值较小,33,1,、低通与带通滤波电路,-,+,+,N,1,-,+,+,N,2,-,+,+,N,3,R,1,R,0,R,2,C,1,R,3,R,4,R,5,u,i,(,t,),C,2,u,3,(,t,),u,2,(,t,),u,1,(,t,),五、双二阶环滤波电路,34,2,、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路,-,+,+,N,1,-,+,+,N,2,-,+,+,N,3,u,o,(,t,),u,i,(,t,),R,01,R,1,R,2,C,1,R,3,R,4,R,5,R,02,R,03,C,2,35,3,、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路,-,+,+,N,1,-,+,+,N,3,-,+,+,N,2,-,+,+,N,4,u,i,(,t,),u,h,(,t,),u,b,(,t,),u,l,(,t,),u,x,(,t,),R,01,R,02,R,04,R,03,R,1,R,2,R,05,R,06,R,07,R,0,C,2,C,1,特点：,调整方便,稳定,Q,值较高,36,第三节,RC,有源滤波器设计,方法：,公式法,图表法,快速设计,计算机辅助设计,类比法,37,公式法,确定传递函数,逼近函数选择,阶数确定,经验,根据通带增益、阻带衰减、通带截止频率、阻带截止频率、波纹特性确定,选择电路结构,选择有源器件（增益、带宽、噪声和输入输出电阻）,计算无源元件参数,R C,不能太大、太小,C=100/F,阶数越大，要求,R C,精确,38,归一化,将滤波器设计归结为截止频率为,1,的低通滤波器的设计,通过一定的规则把,归一化,低通滤波器变换成实用的滤波器,(,图表法,),39,归一化快速设计,在给定的,f,c,下，参考下表选择电容,C,1,;,根据,C,1,的实际值，按下式计算电阻换标系数,K,;,K,=100/,f,c,C,1,由表确定,C,2,及归一化电阻值,r,i,，再换算出,R,i,。,-,+,+,N,C,2,R,1,R,3,R,2,C,1,R,u,i,(,t,),f,/Hz,100k,C,1,/,u,F,100.1,0.10.01,0.010.001,(1000100)10,-6,(10010)10,-6,1,2,6,10,3.111,2.565,1.697,1.625,4.072,3.292,4.977,4.723,3.111,5.130,10.180,16.252,0.2,0.15,0.05,0.033,40,第四节 开关电容滤波方法简介,-,+,+,N,u,i,(,t,),u,o,(,t,),C,2,R,1,2,a),u,i,(,t,),C,2,u,o,(,t,),-,+,+,N,1,2,C,1,V,2,V,1,2,1,b),T,c,2,1,c),-,+,+,N,2,1,C,1,u,o,(,t,),I,1,u,i,(,t,),C,2,d),C,2,-,+,+,N,u,o,(,t,),2,I,2,e),41,MAX280/LTC1062,五阶零直流误差低通滤波器,单片集成通用有源滤波器,MAX263/264,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,MAX291/MAX292/MAX295/MAX296,八阶低通开关电容滤波器,MAX293/MAX294/MAX297,八阶低通椭圆型开关电容滤波器,第五节 集成有源滤波器简介,42,第五节 集成有源滤波器简介,1,、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器,MAX280,内部开关,电容网络,R,C,R,clk,C,clk,(,外部缓冲放大器,),u,o1,(,t,),u,o2,(,t,),1,4,6,3,2,5,8,7,-5v,+5 v,(33pF),内部时,钟电路,u,i,(,t,),43,2,、单片集成通用有源滤波器,MAX263/264,+,+,+,+,-,+,+,分频比编码,控制电路,品质因数编,码控制电路,工作模式编,码控制电路,S,2,S,3,S,1,1,S,2,S,3,qr,r,r,r,+,IN,GND,M,0,M,1,Q,0,Q,6,CLK,A,OSC,OUT,LP,BP,N/HA,F,0,F,4,求和节点,同相积分器,S,1,N,1,N,2,同相积分器,N/HA,A,MAX,263/264,15,14,1,Q,0,28,Q,1,F,1,V,GND,Q,2,Q,3,OSC,OUT,F,2,F,0,Q,4,Q,6,Q,5,N/HA,B,BP,B,LP,B,F,3,F,4,V,+,M,0,M,1,BP,A,LP,A,IN,B,IN,A,CLK,B,CLK,A,44,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,特性,45,应用,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,46,A,B,D,C,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,47,内部特性描述,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,48,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,49,典型电路与响应,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,50,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,51,带阻滤波器实现,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,52,滤波器设计算法,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,53,级联增益选择,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,54,3,、,MAX274/MAX275,四阶和八阶连续时间有源滤波器,55,滤波器设计软件,56,滤波器设计软件,57,机床轴心轨迹的滤波处理,4,、滤波器应用举例,58,机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,59,超声主要应用：,医学超声检测,4,、滤波器应用举例,60,超声波检测系统组成,4,、滤波器应用举例,61,发射：超声,接收：同相放大器,滤波器：,程控增益放大器：,4,、滤波器应用举例,62,实验二：,MAX275,滤波器设计,作业,63,预习,第四章 信号处理电路,运算电路,信号转换电路,V/I,、,I/V,转换,电压比较器,V/F,、,F/V,转换,采样保持,64,