有源带通滤波器设计方案报告.doc

有源带通滤波器
设计汇报

学生姓名 崔 新 科

同组者 王霞 吴红娟

指导老师 王 全 州

摘 要
该设计利用模拟电路相关知识，设定上线和下限频率，采取开环增益80dB以上集成运算放大器，设计符合要求带通滤波器。再利用Multisim 10.0仿真出滤波电路波形和测量幅频特征。经过仿真和成品调试表明设计有源滤波器能够基础达成所要求指标。其关键设计内容：
1．确定有源滤波器上、下限频率；
2．设计符合条件有源带通滤波器；-
3．测量设计有源滤波器幅频特征；
4．制作和调试；
5. 总结碰到问题和处理方法。

关键词：四阶电路 有源带通滤波器 极点 频率

The use of analog circuit design knowledge, on-line and set the lower limit frequency, the use of open-loop gain of 80dB or more integrated operational amplifier designed to meet the requirements of the bandpass filter. Re-use Multisim 10.0 circuit simulation waveform and filter out the measurement of amplitude-frequency characteristics. Finished debugging the simulation and design of active filters that can basically meet the required targets. The main design elements:
1. Determine the active filter, the lower limit frequency;
2. Designed to meet the requirements of the active band-pass filter; -
3. Designed to measure the amplitude-frequency characteristics of active filters;
4. Production and commissioning;
5 summarizes the problems and solutions.
Keywords: fourth-order active band-pass filter circuit pole frequency

滤波器介绍
滤波器是一个选频装置，能够使信号中特定频率成份经过，而极大地衰减其它频率成份。在测试装置中，利用滤波器这种选频作用，能够滤除干扰噪声或进行频谱分析。工程上常见它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。它是由集成运放和R、C 组成有缘滤波电路开环电压增益和输入阻抗全部很高，输出阻抗又低，组成有源滤波电路后还含有一定电压放大和缓冲作用。
广义地讲，任何一个信息传输通道（媒质）全部可视为是一个滤波器。因为，任何装置响应特征全部是激励频率函数，全部可用频域函数描述其传输特征。所以，组成测试系统任何一个步骤，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，全部将在一定频率范围内，按其频域特征，对所经过信号进行变换和处理。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在全部电子部件中，使用最多，技术最为复杂要算滤波器了。滤波器优劣直接决定产品优劣，所以，对滤波器研究和生产一向为各国所重视。
滤波器基础知识
1.滤波器分类
滤波器有多种不一样分类，通常有以下多个：
（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。
实际上有些滤波器极难归于哪一类，比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。所以，我们无须苛求这种“正确”分类，只是让大家了解滤波器大致类型，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（比如PCM制中话路信号）和信息选择（比如匹配滤波器）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，因为它有周期性通带和阻带。
2.有源滤波器和无源滤波器
有源滤波本身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波同时产生一组和系统幅值相等，相位相反谐波向量，这么能够抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。
有源滤波除了滤除谐波外，同时还能够动态赔偿无功功率。其优点是反应动作快速，滤除谐波可达成95％以上，赔偿无功细致。缺点为价格高，容量小。因为现在国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以目前常见有源滤波容量不超出600千瓦。其运行可靠性也不及无源。
通常无源滤波指经过电感和电容匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流组成一个低阻态通路。这么谐波电流就不会流入系统。无源滤波优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率通常只有80％，对基波无功赔偿也是一定。现在在容量大且要求赔偿细致地方通常使用有源加无源混合型，即无源进行大容量滤波赔偿，有源进行微调。
由RC元件和运算放大器组成滤波器称为RC有源滤波器，其功效是让一定频率范围内信号经过，抑制或急剧衰减此频率范围以外信号。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限制，这类滤波器关键用于低频范围。依据对频率范围选择不一样，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)和带阻(BEF)四种滤波器，它们幅频特征图2-1所表示。
因为含有理想幅频特征滤波器极难实现，只能用实际幅频特征迫近。通常来说，滤波器幅频特征越好，其相频特征越差，反之亦然。滤波器阶数越高,幅频特征衰减速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均能够用较低二阶RC有滤波器级联实现。
这里关键说明有源滤波器，无缘就简单说下，不再详述。

（a）低通 （b）高通

(c) 带通 　　 　　 （d）带阻
图1　四种滤波电路幅频特征示意图
多种滤波器作用和结
.低通滤波器(LPF)
1. 低通滤波器特征
低通滤波器是用来经过低频信号衰减或抑制高频信号。图2（a）所表示，为经典二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波步骤和同相百分比运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量正反馈，以改善幅频特征。
图2（b）为二阶低通滤波器幅频特征曲线。

(a)电路图 (b)频率特征
图2 二阶低通滤波器
2．电路性能参数
二阶低通滤波器通带增益:　
(2-1)
截止频率，它是二阶低通滤波器通带和阻带界限频率:
(2-2)
品质因数Q,大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特征形状:
(2-3)
当 时，Q>1，在 处电压增益将大于 ，幅频特征在 处将抬高图2-2所表示。当 ≥3时，Q=∞，有源滤波器自激。因为将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端放大倍数有所抬高，甚至可能引发自激。
2 高通滤波器（HPF）
和低通滤波器相反，高通滤波器用来经过高频信号，衰减或抑制低频信号。
只要将图2－2低通滤波电路中起滤波作用电阻、电容交换，即可变成二阶有源高通滤波器，图2－3(a)所表示。高通滤波器性能和低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF幅频特征。
(a) 电路图 (b) 幅频特征
图3 二阶高通滤波器
当 时，幅频特征曲线斜率为+40 dB/dec；当 ≥3时，电路自激。电路性能参数、各量函义同二阶低通滤波器。
图3（b）为二阶高通滤波器幅频特征曲线，它和二阶低通滤波器幅频特征曲线有“镜像”关系。
2.2.3 带通滤波器（BPF）
1.带通滤波器特征
带通滤波器只许可在某一个通频带范围内信号经过，而比通频带下限频率低和比上限频率高信号均加以衰减或抑制，注意：要将高通下限截止频率设置为小于低通上限截止频率。反之则为带阻滤波器。经典带通滤波器能够从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。图2－4所表示。

(a) 带通滤波器原理框图

（b）电路图 (c)幅频特征
图2-4 二阶带通滤波器
2.电路性能参数
通带增益：
(2-4)
中心频率：
(2-5)
通带宽度：
(2-6)
品质原因：
(2-7)
此电路优点是改变和百分比就可改变频宽而不影响中心频率。
4 带阻滤波器（BEF）
1.带阻滤波器
带阻滤波器性能和带通滤波器相反，即在要求频带内，信号不能经过（或受到很大衰减或抑制），而在其它频率范围，信号则能顺利经过，图2－5（a）所表示。在双T网络后加一级同相百分比运算电路就组成了基础二阶有源BEF

　　　　　　　　 (a)电路图　　　　(b)频率特征

(c)原理框图
图5 二阶带阻滤波器
2.电路性能参数
通带增益：
(2-8)
中心频率:
(2-9)
带阻宽度:
(2-10)
品质因数：
(2-11)
有源带通滤波器设计要求指标
1.带宽要求：15Hz~35KHz
2.带外抑制比要求：>=-20dB/倍频程
方案选择及步骤
1. 阶数选择依据所需带外抑制比大于等于20dB/倍频程，我们选择了四阶带通滤波器，因为选择二阶时为：
选择三阶时为：
选择四阶时为：此时能够满足要求带外抑制比≥20dB/倍频程
倍频程和10倍频程选择：
对于滤波或运放放大倍数来讲是用dB来表示。具体公式是
  A(w)=A0/(1+jw/w0), w0是滤波频率或运放一个极点。
  采取dB表示时是
      20*log|A(w)|.
      A(w)要取模，即A0/sqrt(1+w*w/(w0*w0)).
对于n倍频(靠近w0频率不正确,n>0),w2=n*w1, w1>>w0.(开方中1可忽略)则有
       A(w2)-A(w1)=20*logA0-20*log(sqrt(w2*w2)/(w0*w0))
              -20*logA0+20*log(sqrt(w1*w1)/(w0*w0))
              =-10*log(w2*w2/(w1*w1)
              =-10*log(n*n)
这么对于两倍频，w2=2*w1,则此时下降是
         -10*log4=-6.02dB
当w2=10*w1时 -10*log100=-20dB.
2.电路形式选择因为我们所选滤波器阶数n为偶数，所以我们选择n/2个二阶滤波器级联；
3.原理图仿真依原理图用Multisim 10.0进行仿真，使基础达标。
我们用Protel99SE画出来设计原理图：

下面是我们仿真结果：
这幅图是我们在Multisim 10.0进行仿真时得到波特图，其中给定

其它参数值图所表示，这也是我们组前期仿真过程中遗留下来最不可原谅而且是最最关键问题，在后面会对它做深入说明。
下面是我们仿真结果：

能够看到仿真出来带宽已经很宽了,上限频率很高，这和我们初始仿真结果出现了很大偏差。（初始仿真结果为：10.225Hz～61.743KHz)。

.电路性能测试和改善

做出来电路先出现了峰值：

电阻出了问题，改变阻值后：

为此以后经过参数调整，将、、、进行了修改，下面是我们对其进行修改时做出来实测幅频特征曲线，为了能够真实反应个点工作情况，我们作出其折线图形，具体以下
再次改变阻值后：

带外抑制比不够：

将上图数据作以汇总，得到以下表格：

由此能够看出R取值为40k或36k时，条件基础满足条件。
下面所表示是我在万能板上实际焊接出来实物图：

.电源模块
直流稳压电源工作原理
电源是组成一个完整功放关键组成部分，其稳定向外电路提供能量，确保外电路能正常进行工作。但通常地全部是从市电经变压器降压而实现，那么怎样降压，怎样把交流经一些元件变成直流，并确保其能稳定输出是必需考虑问题。
做为稳压电源它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220v电压变为所需要电压值，然后经过整流电路将交流电压变成脉动直流电压。而脉动直流电压含有较大纹波，必需经过滤波电路加以消除，从而得到平滑直流电压。
A .变压器
变压器种类有很多，单输出双输出，体型有大有小，输出电压、功率等依型号而定。外电路所需电压值、流过电源电流、外电路功率全部将影响到电源输出电压稳定性，所以输出电压、本身功率等全部是必需考虑，在本电路中我们选择双12v输出电压变压器。
B .整流电路
要使交流电压变成直流电压，整流电路就是必需。常见整流电路有单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流和倍压整流电路。因为桥式整流电路输出电压高，纹波电压较小，管子所承受最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内全部有电流供给负载，电源变压器得到了充足利用，效率较高。所以我们在此采取最大电流2A整流桥。
C. 滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中纹波，通常由电抗元件组成。其工作机理是，点抗性元件在电路中有储能作用，并联电容器C在电源供给电压升高时，能把部分能量储有平波作用。电感也有平波作用，使负载电压比较平滑。电容滤波通常针对小功率电源，而电感滤波多用于大功率电源中。此电路中我们采取电容滤波方法。电容滤波时输出电压为 U2=√2U1, ，其中U1为变压器输出电压，U2为电容两端输出电压。
因为该电路采取双电源形式，我们将采取上下并联两组电容形式来作为滤波电路。而且电容由大到小依次排列。第二级电容采取钽电解电容有效地预防了低频干扰成份对电路干扰 , 第三极电容采取独石电容预防了高频成份干扰,同时也提升了电源稳定性.
电源部分采取三端集成稳压块LM7812和LM7912制作，电路结构简单，电路中芯片所需电压为±12V，实际测得电压为11.86V和11.74V.我们在具体测量时候选择此电源模块。

运放选择
为了降低运放对滤波电路负载效应，同时便于调整，我们刚开始考虑选择LF412。这是一个含有JFET作为输入级低失调、高输入阻抗运放。其输入阻抗可达Ω。单位带宽增益积为8MHz，能满足我们要求，但因为此芯片大多为军用芯片，价位太高，所以我们选择了LM324，因为　LM324系列器件为价格廉价带有真差动输入四运算放大器。和单电源应用场所标准运算放大器相比，它们有部分显著优点。该四放大器能够工作在低到3.0伏或高到32伏电源下，静态电流为MC1741静态电流五分之一。共模输入范围包含负电源，所以消除了在很多应用场所中采取外部偏置元件必需性。3dB带宽增益乘积:1.2MHz ，低功耗 ，已经能够满足我们要求了。
电压跟随器
概括地讲，电压跟随器起缓冲、隔离、提升带载能力作用。 　　共集电路输入高阻抗，输出低阻抗特征，使得它在电路中能够起到阻抗匹配作用，能够使得后一级放大电路愈加好工作。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，所以对前后级电路起到“隔离”作用。电压跟随器常见作中间级，以“隔离”前后级之间影响，此时称之为缓冲级。基础原理还是利用它输入阻抗高和输出阻抗低之特点。电压跟随器输入阻抗高、输出阻抗低特点，能够极端一点去了解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响电路当然含有隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。
利用电压跟随器这些特点，我们在电路高低铜连接处增加了电压跟随器模块，是电路性能大幅度优化，关键表现在通带内平坦程度得以提升 ，带宽也有所增加。
3. 存在问题处理情况
⑴滤波器构架选择 在刚开始原理建立及电路构架确实立时，我们也曾想过用两个二阶Delyiannis带通滤波器级联，也就是下面图中给出来那样：

下面给出仿真得到波特图：

由上图能够看到，当带宽可基础达标时，增益全部到-157dB了，即使我们设计指标中没有增益限制，但我们不可能这么大倍数衰减新号，所以我们放弃这种设计方案，转而采取高通和低通级联方法，选择二阶Salley-key滤波电路为基础模块设计滤波器电路，在前面已做过关键说明，这里不再反复。
（2）低通部分改善 因为在仿真阶段疏忽和调整盲目，使得地同参数出了很大问题，一直到实际电路搭接出来后还在为低通电路部分发愁。以后经过对仿真图调整、实际电路分块测试，低通滤波电路不可行之处实实在在摆在我们眼前，所以重新开始从计算开始，确立参数，在上面已经给予说明，但新问题又出现了，高频部分波特图出现转折，且转折前后斜率不尽相同，在之前给出方针和实测图中全部有反应出来，其原因初步被判定为是两个二阶滤波电路频率不匹配，致使滤波通带没有能完全重合。
（3）电源问题
我们第二个电源出了部分问题，也耽搁了很长时间，测量数据为：正电源11.6V、负电源为-22V.整流桥测过没出问题，电路全部是通，稳压块也换过，但一直没能处理，问题还是出在稳压块上，应该是被烧掉了。
（4）带外抑制比
思绪一：带外抑制比在比较正确一组测量是几乎为20db，具体思绪是：因为电路是级联，在高通部分她带外抑制比比较高，不过第通部分对应低些，这时能够在她低通部分在增加一个极点，使得在该点处她下降先改变一次，这么就比较陡了。
思绪二：在电路设计时候，我才用电容比值太大了，达成了1000倍，这个可能是一个原因，造成带外衰减部分比较低，以后我想过改变容值方法来减小她们之间系数，这么就能够使得她们灵敏度减小，电路性能得到改善。
心得体会
经过着断断续续一个多月以来，对滤波器有了一个新认识，了解了相关滤波常识，怎样去调整电路参数，怎样设置电路参数，在仿真软件上测试，。对我个人来说这是一次新尝试，对我们组来说，这也是一次三个人合作学习过程，即使结果并不是很完美，不过这个过程让我们学到不少知识，让我们明白闷头闷脑自顾自学习方法是根本行不通，我们所缺乏是扩展自己获取知识能力和应用知识能力，我们团体合作精神也很很关键，当然我认为我们在这一点做还是很不错，我们相互帮助和激励，不推脱自己工作进程。滤波器设计被我们做很简单，但我认为，我们设计还处于初级阶段，我们还没有上升到一定层次，期望在后续扩展中继续。
从当初原理图分析、软件仿真到采购元件、焊接、测试全部是一步步在找问题、查问题出来，同时给我收获蛮多，在采购元件上，什么样能够，什么样不能够，一样东西会因为批号、出厂次序不一样而不一样，焊接时火候注意。在实际问题中我们要有一个找出问题，处理问题意识，这给我感受最深。同时也让我深刻认识到了知识不能只拘泥和书本，实际情况下能够对所学有更深刻认识。在调试过程中，看似简单电路很轻易出问题，一不小心就元件烧毁了，而问题又一时半回找不到原因，找到了就查书、上网去处理，这么给我们了一个处理问题能力，这也是我们要学。