有源滤波器设计

　 XXX

　毕业设计报告

　HL

　有源滤波器设计

　学生姓名 杜超超

　所在系

　电子信息工程系

　班 级

　五电0701班

　专 业

　应用电子技术

　指导教师

　XXX

　2011年10月20日

　木设计利用模拟电路和数字电路相关知识，根据设定中心频率，采用开环增 益80dB以上的集成运算放大器，设计二阶低通、高通、带阻、带通滤波器。利 用Multisim7仿真出各种滤波电路的波形和测量幅频特性。通过仿真和成品调试 表明设计的有源滤波器可以达到设计要求。主要设计内容：

　1?确定有源滤波器的中心频率；

　设计低通、高通、带阻、带通滤波器；

　测量设计的有源滤波器的幅频特性；

　制作与调试

　关键词:低通、高通、带阻、带通滤波器

　关键词:

　低通、高通、带阻、带通滤波器

　 TOC \o "1-5" \h \z \o "Current Document" 第1章概论 1

　 \o "Current Document" 1.1选题依据 1

　 \o "Current Document" 1.2有源滤波器的发展概况及现状 1

　 \o "Current Document" 1.3有源滤波器与无源滤波器的优缺点 2

　 \o "Current Document" 1.4滤波器的分类 2

　 \o "Current Document" 1.5设计的主要内容 2

　 \o "Current Document" 第2章 有源滤波器的作用与结构 3

　 \o "Current Document" 2.1滤波器的基木概念 3

　 \o "Current Document" 2.2各种滤波器的作用和结构 4

　2. 1低通滤波器(LPF) 4

　2.2.2高通滤波器(HPF) 5

　2.2.3带通滤波器(BPF) 5

　2.2.4带阻滤波器(BEF) 6

　 \o "Current Document" 第3章有源滤波器设计 8

　 \o "Current Document" 3.1低通滤波器设计 8

　 \o "Current Document" 3.1.1参数的计算 8

　 \o "Current Document" 3.1.2仿真及幅频特性测量 8

　 \o "Current Document" 3. 2高通滤波器的设计 9

　 \o "Current Document" 3.2.1参数的计算 9

　 \o "Current Document" 3.2.2仿真及幅频特性测量 10

　 \o "Current Document" 3带通滤波器的设计 10

　 \o "Current Document" 3.3.1参数的计算 10

　 \o "Current Document" 3.3.2仿真及幅频特性测量 11

　 \o "Current Document" 3.4带阻滤波器的设计 12

　 \o "Current Document" 4. 1参数白勺计算 12

　 \o "Current Document" 3.4.2仿真及幅频特性测量 12

　第四章制作与调试 14

　 \o "Current Document" 1制作 14

　 \o "Current Document" 4. 2调试 14

　4.2.1彳氐通也息波器调试 14

　 \o "Current Document" 4.2.2高通滤波器调试 14

　 \o "Current Document" 4.2.3带通滤波器调试 15

　 \o "Current Document" 4.2.4带阻滤波器的调试 15

　 \o "Current Document" 第5章总结 16

　 \o "Current Document" 致谢 17

　 \o "Current Document" 参考文献 18

　 \o "Current Document" 附录 19

　第1章 概论

　1.1选题依据

　根据所学的专业和自己的爱好，采用数电、模电知识来完成有源滤波器的 设计。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电了 部件中，使用最多，技术最为复朵的耍算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品 的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历來为各国所重视。

　1.2有源滤波器的发展概况及现状

　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 多路复用系统的岀现。20世纪50年代无源滤波器□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%；品体 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%。从这些应用比例來看，我国电了产品耍想实现大规模集成，滤波器 集成化仍然是个重要课题。随着电了工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高, 功能也越來越多，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 要求相茅甚远，为缩短这个茅距，电了工程和科技人员负有重大的历史责任。

　1.3有源滤波器与无源滤波器的优缺点

　有源滤波口身就是谐波源。其依靠电力电了装置，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 其成为止弦波形。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。

　1.4滤波器的分类

　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屈丁取样模拟滤波器，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-一按选择物理量分类，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-一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，而梳形滤波器屈于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通 带和阻带。

　1.5设计的主要任务

　木次设计主要利用RC串并联來组成各种频率的滤波电路，必须实现低通滤 波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波四项功能；要求选用放大増益大于80dB以 上的集成运放；通频带口定义；电路实现后测量出各个滤波电路的频率特性。

　第2章有源滤波器的作用与结构

　1滤波器的基本概念

　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限制，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。

　(C)带通

　(C)带通

　(d)带阻

　图2-1四种滤波电路的幅频特性示意图

　2.2各种滤波器的作用和结构 2. 2. 1低通滤波器(LPF)

　1.低通滤波器特性

　低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图2-2 (a)所示, 为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成, 其中笫一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图2 —2 (b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

　2.电路性能参数 二阶低通滤波器的通带增益人卩:

　Rf / 、

　爲=1 +丄 (2-1)

　截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率九:

　fo =1

　fo =

　1

　SRC

　(2-2)

　品质因数Q的人小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状:

　(2-3)

　当2<4,<3时，01,在:处的电压增益将大于 化，幅频特性在 "人处将抬高如图2-2所示。当 饥23时，@8,有源滤波器自激。由于将 "接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍 数有所抬高，甚至可能引起自激。

　2.2.2高通滤波器(HPF)

　与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，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的电阻、电容互换，即可变成二阶有 源高通滤波器，如图2-3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率 响应和低通滤波器是“镜彖”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特 性。

　(a)电路图 (b)幅频特性

　图2-3二阶高通滤波器

　当人时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dcc；当 掘23时，电路门 激。电路性能参数人级、人各量的函义同二阶低通滤波器。

　图2-3 (b)为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，它与二阶低通滤波器的幅 频特性曲线有“镜像”关系。

　2.2.3带通滤波器(BPF)

　带通滤波器特性

　带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率 低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制，注意：要将高通的下限截止频率设 置为小于低通的上限截止频率。反Z则为带阻滤波器。典型的带通滤波器可以从 二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图2-4所示。

　(a)带通滤波器原理框图

　讥良I ?

　(b)电路图 (c)幅频特性

　图2-4二阶带通滤波器

　2.电路性能参数

　通带增益4/

　4

　⑷ RRCB

　(2-4)

　中心频率,0：

　心厶几池)

　(2-5)

　通带宽度B：

　— IJ + ?心)

　(2-6)

　C R、 R2 艮心

　品质因素Q ：

　z

　B

　(2-7)

　此电路的优点是改变心和凡的比例就可改变频宽而不影响中心频率。

　2.4带阻滤波器(BEF)

　1.带阻滤波器

　带阻滤波器的性能和带通滤波器和反，即在规定的频带内，信号不能通过(或 受到很大衰减或抑制)，而在其余频率范围，信号则能顺利通过，如图2-5 (a)

　所示。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基木的二阶有源BEF

　201g

　R<

　⑹电路图 (b)频率特性

　(c)原理框图

　图2-5二阶带卩FL滤波器

　2.电路性能参数

　通带增益人』

　中心频率九:

　带阻宽度

　品质因数0 ：

　fo =

　1

　ItvRC

　2(2—九)

　(2-8)

　(2-9)

　(2-10)

　(2-11)

　第3章有源滤波器设计

　3.1低通滤波器设计

　3?1?1参数的计算

　设定低通滤波器的截止频率为\5.8kHz、电容为0.001//F , Aup = 1.5S, 由公式(2-2)

　“扎C

　得出RTOKG?

　由公式尙倂=1 +型，则型= 0.58, Rf =5.8KG。

　R\ R\

　R11O Rf

　图3-1低通滤波电路图

　3.1.2仿真及幅频特性测量

　图3-2输入、输出波形图

　其中曲线(1)为输出波形，曲线

　其中曲线(1)为输出波形，曲线(2)为输入波形。

　(a)低通的通带增益

　(b)低通的截止频率

　图3-3低通的频率特性

　从图3-2屮可以读出输出、输入的波形之比为1?6倍左右，从图3-3(a)屮 可以读出它的通带增益为3. 97dB,下降3dB为0. 97,此时它所对应的频率为可以 从图3-3(b)屮读出为15. 8KHz,即截止频率，通过仿真表明该设计具冇好的低通 滤波特性。

　3.2高通滤波器的设计

　2.1参数的计算

　设高通的截止频率为\58kHz.、电容为0.01时，如倂= 1.58,由公式(2-2)得到:

　得出 R = 1OKQ。

　Rf =5.8KG°由公式伽=1+歸则詈= 0.58,

　Rf =5.8KG°

　图3 4

　图3 4高通滤波电路图

　3. 2. 2仿真及幅频特性测量

　 | 1.598 kHz 0.963 dB■ ——(b)高通的截止频率图3-5输入、输出波形图 其中曲线(1)为输岀波形，曲线

　 | 1.598 kHz 0.963 dB

　■ ——

　(b)高通的截止频率

　7.54kHz

　3.939 dB

　(a)高通的通带增益

　图3-6高通的频率特性

　从图3-5中我们可以看出输出波形与输入波形Z比为1. 58倍，从图3-6的(a) 中仿真出高通的通带增益为3.9dB左右，下降到3dB的时候为0. 9dB,从(b)中

　读出它的截止频率约为1. 59KHz,与我们设计的理论值很接近，可以为下一步提高 依据。

　3. 3带通滤波器的设计

　3.1参数的计算

　从图3-7中我们知道它是由高通和低通吊联而成的，设带通的频带宽度

　B = \.5SKHz?15.8KHz其中高通的截止频率为通带的上限频率，低通的截止频率 为通带的下限频率。设高通和低通的电压放大倍数都为：R严&

　= 5.8m 高通的电容C, =C2 =O.Oluf，低通电容C3=C4 =O.OOlw/*,由公式(2-2).

　(2-3)得Ji! R3 = = /?. = /?6 = /?2 = /?8 = 1OKQ

　图3-7带通滤波电路图

　3.3.2仿真及幅频特性测量

　图3-8输入、输出波形图 其中曲线（1）表示输岀波形，曲线（2）表示输入波形。

　（a）带通的通带增益 （b）带通的下限截止频率

　 > : -c-

　11/11

　1 | X | ■

　Jf

　■ . , . B

　i a X i i

　i i X i i

　9

　x

　X1

　\ 1 1

　\ , .

　、

　、 ■ 1

　、

　、1

　-——X- 」

　、 1

　V i

　\

　1 \

　、 I

　\

　?「16.481 kHz [ 4.547 dB * 举|

　（C）带通的上限截止频率

　图3-9带通幅频特性

　带通滤波电路要求频带范围为1. 58KHz-15. 8KIIzo我们可从图3-8中我们可 以读出带通滤波器的输出、输入Z比为约2. 1倍，从图3-9的(Q中读出带通滤波 器的通带增益为7. 8dB,从(b)读出比通带低3dB的频率是1. 578KIIZ即为通带的 下限频率，从(c)中看出通带的上限频率为16.48KIIZ,由仿真结杲可以看出频带 宽为 1.57KHz-16.41KHzo

　3.4带阻滤波器的设计

　3.4.1参数的计算

　设带阻滤波器的屮心频率九二1.58Mz, C = O.Oluf ,2 = 10,根据公式(2-2).

　(2-11)得 Aup = 1.95, R = 10KG,根据公式(2-1),则 Rf=0,95Rl.要满足 运放的对称性，即RJIR f = 2R = 20KG ,由公式(2-11)则/?1 = 41KQ , Rf = 39KQ ? B = \5SHz

　图3-10带阻滤波电路图

　3. 4. 2仿真及幅频特性测量

　图3-11通带时输入、输出波形

　其中曲线(1)表示输出波形，曲线(2)表示输入波形。

　TWnetxs” . Ciianrwi A Chsnoel B . TnOT<r

　Sole p mf/D?v | g.* |7 WDiv $€去 fT SOI” | &>9? I

　图3T2中心频率时输入、输出波形

　其屮曲线(1)表示输入，曲线(2)表输出。

　图3-13带阻的幅频特性

　从图3-11中我们可以看出带阻滤波器在通频带时，它的放大倍数约为2倍, 图3-12我们可以看出在中心频率的时候，输出波形约为输入的0.1倍，达到了 陷波的目的。从图3-13 (a)中可以读出它的通带增益为5. 8dBo图(b)则描述了 它在中心频率时对应的增益为T2. 58dBo

　第四章制作与调试

　第四章

　制作与调试

　4.1制作

　按照原理图安装元器件。

　2调试

　4. 2.1低通滤波器调试

　故障：在调试低通滤波电路时候，示波器起初没冇任何现象。

　2?分析：首先检杳是否有电源输入±12V电压，应查集成运放NE5532的4 和8脚，结果发现没有，说明故障可能出现在供电电路，断开4和8脚，用万用 表测量电源输出端是否冇±12U输出，测量出冇电压，说明后而冇短路或者是集 成运放坏，经仔细检杳电路后，发现有导线短路到地。

　3?解决：把导线移除，最后使电路恢复了正常。

　4?参数：实验电路如图3-1

　（1） 粗测：接通±12V电源。山接函数信号发生器，令其输入为Ui = lV的止 弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频率，用示波器或交流毫伏表观 察输出电压幅度的变化是否具备低通特性，如不具备，应排除电路故障。

　（2） 在输出波形不失真的条件下，选取适当幅度的正弦输入信号，在维持输 入信号幅度不变的情况下，逐点改变输入信号频率。测量输出电压，记入表4-1 中。

　表4—1低通各点的输出电压值

　频率f(Hz)

　800

　10000

　13000

　20000

　输出Uo(v)

　1.6

　1.5

　1.2

　0.01

　测量低通的截止频率在15. 8KHz左右，其增益为3. 98dB,下降到3dB的时 候为0.98dB,放大倍数与计算值几乎相同约为1?58倍，此电路很成功。

　4. 2. 2高通滤波器调试

　故障：高通滤波电路在调试过程中一切正常。

　参数：实验电路如图3-4

　粗测：输入a=iv止弦波信号，在滤波器截止频率附近改变输入信号频 率，观察电路是否具备高通特性。

　测出输出电压，记入表4-2。

　表4—2髙通各点的输出电压值

　频率f(Hz)

　800

　1300

　2000

　3000

　输出Uo(v)

　0. 5

　0.8

　1.5

　1.578

　测量高通的截止频率在1. 57KHz左右，其增益为3. 98dB,下降到3Dbd的时 候为0. 98dB,放大倍数与计算值几乎相同约为1.58倍，此电路很成功。

　4. 2. 3带通滤波器调试

　1?故障：带通电路在调试过程中一切止常。

　参数：实验电路如图(3-7),测量其频率特性。记入表4 — 3。

　表4—3带通各点输出电压值

　频率f(Hz)

　100

　500

　1900

　1988

　15000

　20000

　输出Uo(v)

　0.01

　1. 5

　2

　2.2

　1. 9

　0. 01

　带通滤波电路要求频帯范围为1. 58KHz-15. 8KHzo带通滤波电路BPF由一个 HPF和LPF串联而成，必须保证LPF的下限频率大于HPF的上限频率；从表4一3 中读出比通带增益低3dB处的频率分别是1.478KHz-15.441KHZ。与设计的很接 近，电路成功。

　4. 2. 4带阻滤波器的调试

　故障：其滤波电路的效果虽然有，但是并不明显。

　分析「如图3-10仔细检查了电路并没有任何异常，怀疑是示波器的效果 不怎么好，至与究竟是什么原因目前并没有找到。

　由于带阻滤波器没有很好的效果，在示波器上无法测量出它在不同的频率对 应的不同输出电压值。

　第5章总结

　本次设计主要通过模拟电路和数电的知识來设计出能够通过低频、高频、通 带、阻带的全能滤波器电路，其中又包括四部分电路，分别是低通滤波电路，高 通滤波屯路，带通滤波屯路和带阻滤波电路。在整个屯路中采用了两块集成运放 NE5532,它的放人增益人于lOOdB,与设计要求符合。低通和高通由两级RC和集 成运放构成，带通和带阻则是用低通和高通串并连构成。在本次设计中低通、高 通、带通功能能够实现，遗憾的是带阻效果不理想，到目前为止依然没有找出问 题所在处，我会进一步作深入的研究。

　在制作过程中虽然滤波元件不多，但是安装在万能板上却很杂乱，叮以考虑 把所有的滤波电路集成化，这样既节约资源又能使它更美观。

　致谢

　感XXX指导。

　感谢我的室友们，从家來到这个陌牛的城市里，是你们和我共同维系着彼此ZI'可姐妹般 的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们虽然有红过脸, 冇吵过嘴，但是并没冇影响我们深厚的感情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那 顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。衷心祝愿 你们能够健康快乐生活每一天，祝愿老师们能够幸福快乐、工作顺利。

　感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树Z背，养育Z恩，无以回报，你们永远健康快乐是 我最人的心愿。

　在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少 可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。

　参考文献

　[1]李远文等编.有源滤波器设计?北京:人民邮电出版社,1986

　⑵ 刘南平，吉红编著?模拟电子技术.西安：西安电子科技大学出版社，1998

　关健主编.虚拟电子Multisim7技术.北京:电子工业出版社，2000

　范立南，思莉，代红艳，李雪飞.模拟电了技术.北京：中国水利水电出版社，2001

　 http://me. seu. edu. cn/jmp/jpkc2006/kczd/kc/chap_10/10_3_9. HTM

　 http://bbs. elecfans, com/dispbbs_49_7094_3. html

　康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，1999

　童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，1988

　谢嘉奎主编.电了线路（线性部分）.北京：北京高等教育出版社，1988

　徐以容.电力电子技术基础?南京：东南大学出版社，1999

　V ee

　V ee；G nd E|

　(Top View)

　B

　B S 紅nput vcOLb

　附录

　集成运放NE5532-高速低噪声双运算放人器，每块引脚连接及各脚作用如下图:

　PIN CONNECTIONS

　Output A Q

　Inputs A