1、課程設計(論文)說明書題 目： 有源濾波器的快速設計院 （系）： 信息與通信學院專 業： 通信工程學生姓名：學 號：指導教師：職 稱：2011年12月28日桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 15 頁摘 要使用FilterLab 軟件，可以簡化低通濾波器設計過程，減輕技術人員設計低通濾 波器的工作量，是值得推廣的好方法。本次實驗設計的是巴特沃茲的4階低通濾波器，截止頻率為500Khz。關鍵詞：filterLab；巴特沃茲AbstractUse FilterLab software, can simplify the low-pass filter design proce

2、ss, 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; Butterworth1桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 15 頁目 錄引言31 濾波器設計原理 ··

3、;··················································

4、;······································ 31.1有源低通濾波電路基本概念及其現狀 ········&

5、#183;·················································&

6、#183;·················· 31.2濾波器的分類及其優缺點 ····························&#

7、183;·················································&#

8、183;·················· 31.3有源低通濾波電路的組成和實驗原理 ···························

9、3;················································· 41.

10、4有源低通濾波器的運放 ················································

11、··················································

12、···· 5 2 使用FilterLab 軟件設計低通濾波器 ·········································

13、83;······················· 6 3 總體設計 ·························

14、;··················································

15、;··············································· 73.1電路設計總思路 

16、3;·················································

17、3;·················································

18、3;············ 73.2 仿真及幅頻特性測量 ···································

19、··················································

20、··················· 83.3 軟件設計. 10 4 調試步驟及結果 ···························

21、;··················································

22、;····························· 104.1 檢查連線 ···················

23、;··················································

24、;··················································

25、;··· 104.2 通電檢測 ·············································

26、;··················································

27、;··························· 104.3 觀察調節 ·····················

28、;··················································

29、;··················································

30、;· 104.4 分步調試 ···············································

31、;··················································

32、;························· 104.5 實驗結果 ·······················

33、;··················································

34、;················································· 10 5

35、 設計總結 ·················································

36、··················································

37、····················· 10謝辭 ····························

38、··················································

39、··················································

40、········ 11參考文獻 ········································

41、3;·················································

42、3;·············· 12附錄 ··································

43、3;·················································

44、3;···························· 132桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 15 頁 引言濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，常用于信號 處理、數據傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運放和無源元件電阻和電容構成。它的功能是允許從零

45、到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他頻率的信號有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻干擾信號。但對于濾波器設計的綜合技術，由于其網絡元件參數的實際選擇和調試的困難，采用普通實驗設計方法不僅解決不了上述問題，還花費大量時間和設計成本，以至于設計出的產品價格昂貴，電路噪聲大等質量問題也不盡人意。因此，對有源低通濾波器的設計新方法探討，仍有積極的實際意義。隨著集成運放的廣泛應用,有源濾波器的應用更為廣泛 ,因此有源濾波器性能的分析和電路設計就成為一個核心問題 ,本文采用了先進的FilterLab 軟件進行快速設計。1. 濾波器設計原理1.1 有源低通濾波電路基本概念及其現狀濾波電路的作用

46、就是允許某段頻率范圍內的信號通過，而阻止或削弱其他頻率范圍的信號。有源濾波電路由電阻、電容和集成運算放大器組成，又稱為有源濾波器。有源濾波器能 夠在濾波的同時還能對信號起放大作用，這是無源濾波無法做到的。根據濾波電路通過或者 阻止信號頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通河帶阻電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設計與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過低頻信號，抑制或衰減高頻信號。1917年美國和德國科學家分別發明了LC濾波器，次年導致了美國第一個多路復用系統的出現。20世紀50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計算機技術、集成工藝和材料工業的發展，濾波器發展上了一個新臺階，并且

47、朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩定可靠成為70年代以后的主攻方向。導致RC有源濾波器、數字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴大應用范圍。90年代至現在主要致力于把各類濾波器應用于各類產品的開發和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經過半個世紀的發展，我國濾波器在研制、生產和應用等方面已納入國際發展步伐，但由于缺少專門

48、研制機構，集成工藝和材料工業跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應用與國際發展有一段距離。我國現有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現有各種電信設備。從整體而言，我國有源濾波器發展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產和應用。從下面的生產應用比例可以看出我國各類濾波器的應用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機械濾波器占15%；陶瓷和聲表面濾波器各占1%；其余各類濾波器共占13%。從這些應用比例來看，我國電子產品要想實現大規模集成，濾波器集成化仍然是個重要課題。隨著電子工業的發展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發展。我國濾波器研制和生產與上述要求相差

49、甚遠，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負有重大的歷史責任。1.2濾波器的分類及優缺點濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。（1）按處理信號類型分類，可分為 3桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 15 頁 模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數字、取樣模擬、混合三個分類。實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。（2）按選擇物理量分類-按選擇物理量分類，

50、濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3）按頻率通帶范圍分類-按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶。有源濾波自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統諧波的同時產生一組和系統幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態補償無功功率。其優點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95以上，補償無功細致。缺點為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術還不成熟，所以當前

51、常見的有源濾波容量不超過600千瓦。其運行可靠性也不及無源。一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯低阻（調諧濾波）狀態,給某次諧波電流構成一個低阻態通路。這樣諧波電流就不會流入系統。無源濾波的優點為成本低，運行穩定，技術相對成熟，容量大。缺點為諧波濾除率一般只有80，對基波的無功補償也是一定的。目前在容量大且要求補償細致的地方一般使用有源加無源混合型，即無源進行大容量的濾波補償，有源進行微調。1.3 有源低通濾波電路的組成和實驗原理二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個RC 環節和同相比例放大電路構成，電路如圖所示。圖1 有源低通濾波二階電路其通帶電壓放大倍數即為同相比例放大電路的放大倍數

52、：4桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 15 頁 其傳遞函數：其中： Wo=1/RC 截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。品質因數，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。圖2 不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過分析可知：當信號頻率大于截止頻率時信號的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號可以得到一定 提升。如果Q =0.707 時，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q >0.707 時,幅頻特性將出現峰值。因此，我們后面要用

53、到巴特沃斯歸一化方法設計電路圖參數。1.4有源低通濾波器的運放運算放大器是目前應用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結構不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅動負載的能力）。運算放大器的性能指標包括5個，開環差模電壓放大倍數，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開環差模放大倍數是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數。最大輸出電壓是指它是指一

54、定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好。）實際是有要求的。首先運放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對電路中的實際電 5桂林電子科技大學課程設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 15 頁 阻產生過大的影響 。其次運放的開環增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設計有源二階低通濾波器時，不考慮。但在仿真時，不同的運放對濾波器的指標還是有影響的。由

55、RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。可用在信息處理、數據傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據對頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)四種濾波器，它們的幅頻特性如圖2-1所示。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實現，只能用實際的幅頻特性逼近。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網絡的節數越多，元件參數計算越繁瑣，電路調試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯實現。（a）低通 （b）高通(c) 帶通 （d）帶阻圖3四種濾波電路的幅頻特性示意圖2. 使用FilterLab 軟件設計低通濾波器FilterLab 軟件是Microchip 公司專為單片機應用而開發的低通濾波器計算機輔助設計軟件，資源開放又簡單易學。例如設計一個Butterworth 低通濾波器，通帶頻率為3 Hz，衰減30 dB/十倍頻程，Sallen Key 類型的電路，在3 Hz 只有0.1 dB的衰減。第1 步：啟動FilterLab 軟件，選擇Filte