RC有源带通滤波器的设计.pdf

1、 题 目 RC有 源 带 通 滤 波 器 的 设 计 科 目 现 代 电 路 理 论 RC有 源 带 通 滤 波 器 的 设 计摘 要滤 波 器 的 功 能 是 让 一 定 频 率 范 围 内 的 信 号 通 过 ， 而 将 此 频 率 范 围 之外 的 信 号 加 以 抑 制 或 使 其 急 剧 衰 减 。 当 干 扰 信 号 与 有 用 信 号 不 在 同 一 频率 范 围 之 内 ， 可 使 用 滤 波 器 有 效 的 抑 制 干 扰 。用 LC网 络 组 成 的 无 源 滤 波 器 在 低 频 范 围 内 有 体 积 重 量 大 ， 价 格 昂 贵和 衰 减 大 等 缺 点 ， 而 用

2、 集 成 运 放 和 RC网 络 组 成 的 有 源 滤 波 器 则 比 较 适 用于 低 频 ， 此 外 ， 它 还 具 有 一 定 的 增 益 ， 且 因 输 入 与 输 出 之 间 有 良 好 的 隔离 而 便 于 级 联 。 由 于 大 多 数 反 映 生 理 信 息 的 光 电 信 号 具 有 频 率 低 、 幅 度小 、 易 受 干 扰 等 特 点 ， 因 而 RC有 源 滤 波 器 普 遍 应 用 于 光 电 弱 信 号 检 测 电路 中 。 本 课 题 研 究 内 容 主 要 是 用 multisim软 件 设 计 仿 真 有 源 带 通 滤 波 器的 二 级 级 联 和 四

3、级 级 联 方 式 的 电 路 。关 键 词 ： 集 成 运 放 ； RC网 络 ； multisim软 件 ； 有 源 带 通 滤 波 器目 录摘 要 1目 录 2一 本 课 题 内 容 提 要 3二 二 级 串 联 的 带 通 滤 波 器 31 设 计 要 求 32 基 本 原 理 33 设 计 方 案 34 电 路 设 计 与 参 数 计 算 35 性 能 仿 真 分 析 5三 四 级 串 联 的 带 通 滤 波 电 路 71 总 体 方 框 图 71 .1 级 数 选 择 71 .2 元 器 件 的 选 择 72 电 路 设 计 分 析 8四 总 结 9参 考 文 献 1 1一 、 本

4、 课 题 内 容 提 要滤 波 器 的 功 能 是 让 一 定 频 率 范 围 内 的 信 号 通 过 ， 而 将 此 频 率 范 围 之外 的 信 号 加 以 抑 制 或 使 其 急 剧 衰 减 。 当 干 扰 信 号 与 有 用 信 号 不 在 同 一 频率 范 围 之 内 ， 可 使 用 滤 波 器 有 效 的 抑 制 干 扰 。 其 优 点 ： 不 用 电 感 元 件 、有 一 定 增 益 、 重 量 轻 、 体 积 小 和 调 试 方 便 ， 可 用 在 信 息 处 理 、 数 据 传 输和 抑 制 干 扰 等 方 面 ； 缺 点 为 ： 但 因 受 运 算 放 大 器 的 频 带

5、限 制 ， 这 类 滤 波器 主 要 用 于 低 频 。 根 据 对 频 率 选 择 要 求 的 不 同 ， 滤 波 器 可 分 为 低 通 、 高通 、 带 通 与 带 阻 四 种 。 本 课 题 采 用 低 通 -高 通 级 联 实 现 带 通 滤 波 器 。二 、 二 级 串 联 的 带 通 滤 波 电 路1 、 设 计 要 求性 能 指 标 要 求 ： f=3 0 0 0 Hz-3 0 0 Hz=2 7 0 0 Hz;通 带 电 压 增 益 ： Au=1 ；完 成 电 路 设 计 和 调 试 过 程 。2 . 基 本 原 理带 通 滤 波 器 (BPF)能 通 过 规 定 范 围 的

6、频 率 ， 这 个 频 率 范 围 就 是 电 路 的带 宽 BW， 滤 波 器 的 最 大 输 出 电 压 峰 值 出 现 在 中 心 频 率 f0 的 频 率 点 上 。带 通 滤 波 器 的 带 宽 越 窄 ， 选 择 性 越 好 ， 也 就 是 电 路 的 品 质 因 数 Q越 高 。电 路 的 Q值 可 用 公 式 求 出可 见 ， 高 Q值 滤 波 器 有 窄 的 带 宽 ， 大 的 输 出 电 压 ； 反 之 低 Q值 滤 波器 有 较 宽 的 带 宽 ， 势 必 输 出 电 压 较 小 。3 . 设 计 方 案采 用 低 通 -高 通 串 联 实 现 带 通 滤 波 器 ： 将

7、 带 通 滤 波 器 的 技 术 指 标 分成 低 通 滤 波 器 和 高 通 滤 波 器 两 个 独 立 的 技 术 指 标 ， 分 别 设 计 出 低 通 滤 波器 和 高 通 滤 波 器 ， 再 串 联 即 得 带 通 滤 波 器 。 二 阶 巴 特 沃 思 滤 波 器 的 ， 因 此 ， 由 二 级 串 联 的 带 通 滤 波 电 路 的 通 带电 压 增 益 ， 由 于 通 带 电 压 增 益 ： Au=1 ， 因 此 在 低 通 滤 波 器 输 入 部 分 加 了一 个 由 和 组 成 的 分 压 器 。4 、 电 路 设 计 与 参 数 计 算元 件 的 的 参 数 选 择 和

8、计 算 ： 在 运 放 电 路 中 的 电 阻 不 宜 过 大 或 过 小 。一 般 为 几 千 欧 至 几 十 千 欧 较 合 适 。对 于 低 通 级 ， 选 取 ， 由 和 可 计 算 出 电 容 ， 现 选 择 标 准 电 容 值 ， 低通 部 分 如 图 1 所 示 ：对 于 高 通 级 ， 也 选 取 ， 由 和 可 计 算 出 电 容 ， 现 选 择 标 准 电 容 值 ，高 通 部 分 如 图 2 所 示 ：考 虑 到 已 知 道 ， 同 时 尽 量 要 使 运 放 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 对 地 的直 流 电 阻 基 本 相 等 ， 选 择 ， 。Imag

9、eImageImage信 号 源 通 过 和 进 行 衰 减 ， 它 的 戴 维 宁 电 阻 是 和 的 并 联 值 ， 这 个 电 阻值 等 于 低 通 级 电 阻 。 因 此 ，有由 于 整 个 滤 波 电 路 通 增 益 是 电 压 分 压 器 比 值 与 滤 波 器 部 分 增 益 的 乘积 ， 且 应 等 于 单 位 增 益 ， 故 有 =联 解 式 得 和图3 总 原 理 图5 、 性 能 仿 真 分 析按 照 理 论 图 进 行 调 试 ， 波 特 图 仪 显 示 结 果 如 图 4 ：图4 波 特 图 仪 显 示 结 果电 路 图 中 所 用 信 号 源 为 ： 和 ， 经 过

10、 滤 波 器 这 两 种 信 号 应 都 被 滤 除 。示 波 器 波 形 如 图 5 ：图5 示 波 器 波 形数 字 万 用 表 的 输 出 电 压 读 数 如 图 6 ：图6 数 字 万 用 表 的 输 出 电 压三 、 四 级 串 联 的 带 通 滤 波 电 路采 用 运 放 和 RC元 件 构 成 带 通 滤 波 器 ， 要 求 滤 波 频 率 范 围3 0 0 Hz3 KHz， 带 外 抑 制 1 0 dB或 以 上 ， 带 内 纹 波 小 于 1 dB， 电 压 增 益0 .5 2 。1 、 总 体 方 框 图 设 计 ， 如 图 7图7 总 体 方 框 图RC网 络 ， 在 有

11、 源 RC滤 波 器 电 路 中 ， RC网 络 起 着 滤 波 的 作 用 ， 它 将使 有 用 频 率 信 号 通 过 而 同 时 抑 制 无 用 频 率 信 号 。 它 在 波 形 的 选 取 上 起 着至 关 重 要 的 作 用 。 RC网 络 由 电 阻 R和 电 容 C组 成 。放 大 器 ， 电 路 中 运 用 同 相 放 大 器 OP0 7 ， 它 具 有 输 入 阻 抗 高 ， 输 出 阻抗 很 低 的 特 点 ,因 此 广 泛 应 用 于 前 置 放 大 级 。 此 电 路 中 的 第 一 级 的 闭 环增 益 为 Avf=R3 /R6 .反 馈 网 络 ， 在 此 电 路

12、 的 第 一 级 中 的 R3 和 C6 组 成 反 馈 网 络 。1 .1 .级 数 选 择滤 波 器 的 级 数 主 要 根 据 对 带 外 衰 减 特 性 的 要 求 来 确 定 。 每 一 阶 低 通或 高 通 电 路 可 获 得 -6 dB每 倍 频 程 （ -2 0 dB每 十 倍 频 程 ） 的 衰 减 ， 每 二 阶低 通 或 高 通 电 路 可 获 得 -1 2 dB每 倍 频 程 （ -4 0 dB每 十 倍 频 程 ） 的 衰 减 。 多级 滤 波 器 串 接 时 传 输 函 数 总 特 性 的 阶 数 等 于 各 级 阶 数 之 和 。 当 要 求 的 带外 衰 减 特

13、 性 为 -mdB每 倍 频 程 （ 或 mdB每 十 倍 频 程 ） 时 ， 则 取 级 数 n应 满足 n大 于 等 于 m /6 (或 n大 于 等 于 m/2 0 )。1 .2 .元 器 件 的 选 择一 般 设 计 滤 波 器 时 都 要 给 定 截 止 频 率 fc（ wc） 带 内 增 益 Av， 以 及 品质 因 素 Q（ 二 阶 低 通 或 高 通 一 般 为 0 .7 0 7 ） 。 在 设 计 时 经 长 出 现 待 确 定 其值 的 元 件 数 目 多 于 限 制 元 件 取 值 的 参 数 之 数 目 ， 因 此 有 许 多 个 元 件 均 可满 足 给 定 的 要

14、求 ， 这 就 需 要 设 计 这 自 行 选 定 某 些 元 件 值 。 一 般 从 选 定 电容 器 入 手 ， 因 为 电 容 标 称 值 的 分 档 较 少 ， 电 容 难 配 ， 而 电 阻 易 配 ， 可 根据 工 作 频 率 范 围 按 照 表 1 .1 .1 初 选 电 容 值 。f (110)Hz （ 10102）Hz （ 102103）Hz （ 110）KHz （ 10103）KHz （ 102103）KHzC (2010)F （ 100.1）uF （ 0.10.01）uF （ 104103）pF （ 103102）pF （ 10210）pF表1.1.1 滤 波 器 工 作

15、 频 率 与 滤 波 电 容 取 值 的 对 应 关 系2 .电 路 设 计 分 析有 源 RC带 通 滤 波 器 由 电 阻 、 电 容 和 放 大 器 组 成 ， 可 以 利 用 Multisim仿 真 软 件 来 仿 真 给 予 修 正 。 原 理 图 如 图 8 所 示 ：图8.a(第 一 级) 图8.b(第 二 级)图8.c(第 三 级) 图8.d(第 四 级)用 Multisim仿 真 软 件 的 原 理 图 如 图 9 所 示 ， 以 及 仿 真 后 的 效 果 图 （ 幅频 特 性 ） 如 图 1 0 所 示 ：Image图9 仿 真 电 路 原 理 图图10 仿 真 后 的

16、效 果 图 （ 幅 频 特 性 ）以 上 图 9 所 示 的 元 器 件 的 值 都 为 标 称 值 ， 以 上 的 设 计 分 析 能 达 到 此次 课 题 的 频 带 、 带 内 纹 波 、 带 外 抑 制 等 要 求 ， 仿 真 出 来 的 幅 频 特 性 的 效果 也 达 到 了 此 次 课 题 的 要 求 。四 、 总 结滤 波 器 有 模 拟 滤 波 器 和 数 字 滤 波 器 之 分 ， 且 按 频 率 特 性 划 分 有 低通 、 高 通 、 带 通 、 带 阻 、 全 通 等 。 本 课 题 内 容 设 计 有 源 带 通 滤 波 器 ， 通过 用 Multisim1 0 .

17、0 软 件 来 仿 真 有 源 带 通 滤 波 器 电 路 ， 以 达 到 本 次 课 题 的设 计 要 求 。用 LC网 络 组 成 的 无 源 带 通 滤 波 器 在 低 频 范 围 内 有 体 积 重 量 大 ， 价 格昂 贵 和 衰 减 大 等 缺 点 ， 而 用 集 成 运 放 和 RC网 络 组 成 的 有 源 带 通 滤 波 器 则比 较 适 用 于 低 频 ， 此 外 ， 它 还 具 有 一 定 的 增 益 ， 且 因 输 入 与 输 出 之 间 有良 好 的 隔 离 而 便 于 级 联 。利 用 有 源 带 通 滤 波 器 可 以 突 出 有 用 频 率 的 信 号 ， 衰

18、减 无 用 频 率 的 信号 ， 抑 制 干 扰 和 噪 声 ， 以 达 到 提 高 信 噪 比 或 选 频 的 目 的 ， 因 而 有 源 滤 波器 被 广 泛 应 用 于 通 信 、 测 量 及 控 制 技 术 中 的 小 信 号 处 理 ， 同 时 ， 由 于 集成 运 放 的 增 益 和 输 入 阻 抗 都 很 高 ， 输 出 阻 抗 很 低 ， 故 有 源 带 通 滤 波 器 还兼 有 放 大 与 缓 冲 作 用 。通 过 这 次 带 通 滤 波 器 的 优 化 设 计 ， 掌 握 了 滤 波 器 的 一 些 概 念 、 功 能和 一 些 基 本 的 类 型 ， 对 模 电 知 识

19、有 了 进 一 步 的 了 解 ， 学 习 了 低 通 原 型 滤波 器 及 其 传 递 参 数 、 频 率 变 换 、 滤 波 器 的 设 计 流 程 和 巴 特 沃 斯 滤 波 器 的设 计 。参 考 文 献1 薛 鹏 骞 等 .频 分 复 用 有 源 滤 波 电 路 的 EWB仿 真 设 计 【 J】 辽 宁 工 程 技术 大 学 学 报 ， 2006， 23（ 2） 70-722张 国 雄 主 编 .测 控 电 路 M 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 20093康 华 光 主 编 .电 子 技 术 基 础 （ 模 拟 部 分 ） .第 五 版 .北 京 ： 高 等 教 育

20、出版 社 ， 2 0 0 6 .4 National Semiconductor MF10 R. M, 127.5孟 开 元 , 熊 光 宇 . 多 用 途 有 源 滤 波 器 MF10J. 国 外 电 子 元 器 件 ,1997,(01)6 Walt Jung.运 算 放 大 器 应 用 技 术 手 册 .北 京 ： 人 民 邮 电 出 版社 .2009.017徐 发 强 等 . RC二 阶 有 源 滤 波 器 的 新 型 实 验 方 法 J 现 代 电 子 技术 ,2008,2(265):65-688邵 毅 全 马 耀 庭 SHA等 ， 二 阶 有 源 低 通 滤 波 器 设 计 与 仿 真 研 究 学 术期 刊 （ 激 光 杂 志 ） 2009年 3期