程控滤波器1.doc

程控滤波器

学院：电子信息工程学院
专业：09级自动化
学号：00924022
姓名：宫平

2011-8-13
程控滤波器
摘要：本系统由可控增益程控放大器，程控低通滤波器、程控高通滤波器、椭圆滤波器三部分组成。可控增益程控放大器部分以OP07作为核心器件，实现了输出增益的动态调整。程控低通滤波器、程控高通滤波器以LM324为核心，通过改变电阻阻值来实现低通滤波器截止频率、带宽可调；四阶椭圆型低通滤波器采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。经测试验证，系统性能指标达到了设计要求，运行稳定，操作方便。
关键词：程控放大器，高通滤波器，低通滤波器，四阶椭圆型低通滤波器
输出

程控低通滤波器
一、 系统方案
1、 系统总体构成（设计框图）：
程控放大器
（0dB到60dB）

输出
程控高通滤波器

输入信号

输出
四阶椭圆低通滤波器

2、 方案比较：
（1） 放大器模块：
方案一：利用可变增益放大器实现。选用可变增益放大器芯片（如AD603），通过给出不同的控制信号改变其放大倍数，从而实现放大器的增益调节。采用AD603实现放大时,容易出现自激，并且对控制信号的稳定度要求很高，故不采用此方案。
方案二：采用D/A衰减器实现。利用可编程放大器思想，现将输入的信号放大1000倍，再将其作为D/A的基准电压，这时D/A作为一个程控衰减器。但是由于控制的数字量与所需的增益（dB）不成线性关系而是指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。
方案三：采用OP07低噪声放大器，以提高程控放大器抗干扰能力，采用跟随器的接线方法，提高带载能力和减少信号源对程控放大器的影响，通过改变反馈电阻的阻值，可实现增益可控制的放大器。
综上所述：本设计采用方案三，不但具有低噪声的功能而且操作十分方便，能够满足题目中要求。
（2） 滤波器模块：
方案一：采用实时DSP或FPGA数字滤波技术。数字信号处理灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效滤波，但不适合高增益弱信号检测。要进行高效率的滤波，需要 A/D、D/A具有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度。
方案二：采用双积分回路滤波器。用DA等效成可变电阻，通过控制DA实现对滤波器Q值、截止频率的设置。在实现低通和高通程控的同时，可以实现带通的控制。电路设计麻烦，不宜采用。
方案三：采用有源滤波器。利用运算放大器和电阻、电容等分立元件构造成低通和高通滤波器，然后通过继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，改变滤波器的截止频率。
综上所述：本设计采用方案三，该方案简单易行，电路简单，且精度高，经费较低，能够满足系统要求。
（3） 四阶椭圆低通滤波器模块：
系统要求制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，我们采用无源LC椭圆低通滤波器来实现。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器。
二、 理论分析与电路设计：
1、 可控增益程控放大器部分
以OP07作为核心器件实现系统可控增益放大器。题中要求，放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。为了达到题中要求，采用改变反馈电阻阻值的方法来改变增益，经检验电路符合要求。
具体电路如下图所示：

0到60dB的可控增益程控放大器电路原理图
其电阻阻值的测试结果如下图所示：
增益
放大倍数Au
输出电压峰峰值
反馈电阻R
60
1000
20V
1000KΩ
50
316.22
6.32V
316.22KΩ
40
100
2V
100KΩ
30
31.62
632mV
31.62KΩ
20
10
200mV
10KΩ
10
3.16
63.2mV
3.16KΩ
0
1
20mV
1KΩ
2、程控低通、高通滤波器部分
题中要求，滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kW。滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kW。通过计算可得低通、高通滤波器的电阻的选取如表中所示：
程控高通滤波器：

高通
R=
1k
2k
3k
4k
5k
6k
7k
8k
9k
F=
15915.49
7957.75
5305.16
3978.87
3183.1
2652.58
2273.64
1989.44
1768.39
10k
11k
12k
13k
14k
15k
16k
17k
18k
19k
20k
1591.55
1446.86
1326.29
1224.27
1136.82
1061.03
994.720
936.21
884.19
837.66
795.77
程控低通滤波器：
低通
R=
1k
2k
3k
4k
5k
6k
7k
8k
9k
F=
15915.49
7957.75
5305.16
3978.87
3183.1
2652.58
2273.64
1989.44
1768.39
10k
11k
12k
13k
14k
15k
16k
17k
18k
19k
20k
1591.55
1446.86
1326.29
1224.27
1136.82
1061.03
994.720
936.21
884.19
837.66
795.77
具体电路图如下图所示：

程控低通滤波器

程控高通滤波器
3、 四阶椭圆低通滤波器部分
题中要求，制作一个四阶椭圆型低通滤波器，带内起伏≤1dB，-3dB通带为50kHz，要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB，-3dB通带误差不大于5%。从《电子滤波器设计手册》上查表得四阶椭圆无源滤波器在，时，相应的归一化参数如下： 取无源滤波器的端间匹配阻抗为，截止频率代入公式

其中表示归一化的电容值、电感值；表示以处为通带3dB衰减的低通滤波电路中所对应的电容值、电感值。
经计算结果如下：

具体电路图如下图所示：

四阶椭圆低通滤波器
三、 系统测试与分析：
1、 可控增益程控放大器：
测试方法：放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号，将放大器增益设置为40dB，从100Hz开始增大输入信号的频率，用示波器测试放大器的通频带。然后将输入信号的频率固定为10KHz，预置放大器增益，用低频毫伏表测试其实际增益，计算增益误差，并检验增益步进。
幅频特性仿真电路图如下图所示：

（1） 放大倍数为1倍时幅频特性仿真图

放大倍数为1倍时幅频特性仿真图

（2） 放大倍数为3.16倍时幅频特性仿真图

放大倍数为3.16倍时幅频特性仿真图

（3）放大倍数为10倍时幅频特性仿真图

放大倍数为10倍时幅频特性仿真图

（4） 放大倍数为31.62倍时幅频特性仿真图

放大倍数为31.62倍时幅频特性仿真图

（5） 放大倍数为100倍时幅频特性仿真图

放大倍数为100倍时幅频特性仿真图

（6） 放大倍数为316.22倍时幅频特性仿真图

放大倍数为316.22倍时幅频特性仿真图

（7） 放大倍数为1000倍时幅频特性仿真图

放大倍数为1000倍时幅频特性仿真图

程控放大器部分测试结果：
预置增益
实测增益
相对误差
波形失真情况
10dB
9.98dB
0.20%
波形无明显失真
30dB
29.8dB
0.67%
波形无明显失真
60dB
59.85dB
0.25%
波形无明显失真
通过测试结果可以看出本设计满足题中要求。

2、 低通、高通滤波器：
测试方法：将放大器增益设置为40dB，滤波器设置为低通滤波器，预置滤波器的截止频率，用低频毫伏表和示波器测试其实际截止频率，计算相对误差。
测试图形如下图所示：

低通滤波器幅频特性：

低通滤波器幅频特性
高通滤波器幅频特性：

高通滤波器幅频特性
测试结果：
低通滤波器
预置截止频率
实测截止频率
相对误差
1 kHz
1.02 kHz
2%
10 kHz
105 kHz
5%
20 kHz
20.6 kHz
3%
步进减少至100Hz,相对误差及2fc处电压总增益满足实验要求。

高通滤波器
预置截止频率
实测截止频率
相对误差
1 kHz
0.92 kHz
8%
10 kHz
9.81 kHz
1.9%
20 kHz
20.18 kHz
0.9%
步进减少至100Hz,相对误差及2fc处电压总增益满足实验要求。
3、 四阶椭圆低通滤波器：
测试方法：将放大器的增益设置为40dB，用低频毫伏表和示波器测量其通带起伏，-3dB截止频率和200KHz的总电压增益。
频率特性仿真图如下图所示：

四阶椭圆低通滤波器频率特性仿真图

测试结果：
椭圆低通滤波器
频率（kHz）
1
5
10
15
20
30
35
Vo_pp/v
2.02
2.02
2.04
2.12
2.18
2.24
2.18
频率（kHz）
40
45
50
52
100
200

Vo_pp/v
1.98
1.68
1.52
1.43
0.196
0.016

椭圆滤波器通带起伏：PRW=20log（2.24/2.02）dB= -0.898dB，-3dB截止频率为52KHz，在200KHz的电压总增益为4.08dB。满足实验要求。
四、 实验总原理图及仿真：
程控滤波器：

程控滤波器
以程控放大器放大倍数100倍为例进行仿真：

1、 低通滤波器：

（1） 幅频特性图形：

低通滤波器幅频特性图形
（2） 波形图：

低通滤波器图

2、高通滤波器：

（1） 幅频特性图形：

高通滤波器幅频特性图形
（2） 波形图：

高通滤波器波形图

3、 四阶椭圆低通滤波器：

（1） 幅频特性图形：

四阶椭圆低通滤波器幅频特性图形
（2） 波形图：

四阶椭圆低通滤波器波形图
五、 实验设计总结：
本系统要求制作了一个程控滤波器。滤波器可以根据需求设置为低通滤波器或高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，截止频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1kW。 可控增益程控放大器部分以OP07作为核心器件，实现了输出增益的动态调整。程控低通滤波器、程控高通滤波器以LM324为核心，通过改变电阻阻值来实现低通滤波器截止频率、带宽可调；四阶椭圆型低通滤波器采用无源LC椭圆低通滤波器来实现，较好的完成了题目基本部分及发挥部分的所有要求，系统整体性良好。
六、 参考文献：
[1] 王振红、张常年。全国大学生电子设计竞赛赛前训练题[M].化学工业出版社
[2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3] 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[M].北京：电子工业出版社，2007.
[4] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].高等教育出版社，1998.