1、畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文題目：有源模擬帶通濾波器的設(shè) 計與分析系 別：電氣與電子工程系專 業(yè)：電子信息工程姓 名：張亞菊學 號：指導(dǎo)教師：陳英河南城建學院2012年 5 月 22 日摘 要 幾乎在所有的工程技術(shù)領(lǐng)域中都會涉及到信號處理問題 ，濾波器作為信號處理的重要組成部分，已發(fā)展的相當成熟。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬電子技術(shù)已經(jīng)成為一門應(yīng)用范圍極廣，具有較強實踐性的技術(shù)基礎(chǔ)課程。電子電路分析與設(shè)計的方法也發(fā)生了重大的變革。濾波器在日常生活中非常重要，運用非常廣泛，在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用

2、集成電路可很方便地構(gòu)成各種濾波器。本文闡述了有源帶通濾波器的基本原理，對濾波器的傳輸函數(shù)進行了推導(dǎo)并給出了兩種設(shè)計方法：一種是無限增益多路負反饋（MFB）有源二階帶通濾波器電路，另一種是壓控電壓源（VCVS）有源二階帶通濾波器電路，并對兩種電路的頻率特性進行了分析，通過Multisim作電路仿真設(shè)計。經(jīng)過仿真及仿真結(jié)果的分析驗證了所設(shè)計的方法是正確的。 關(guān)鍵詞：有源濾波器，帶通，頻率特性，Multisim7，分析Abstract In almost all engineering fields are related to signal processing, filter as an imp

3、ortant signal processing component, has developed quite mature.With the development of computer technology, simulation of electronic technology has become a very wide range of applications, has a strong practical technical basic course. Electronic circuit analysis and design methods have been major

4、changes. Filters are important in our everyday life, use is very extensive, in electronic engineering, communication engineering, automatic control, remote control, measurement equipment, instruments and computers and other technical fields, often need to use a variety of filter. With the rapid deve

5、lopment of integrated circuits, integrated circuits can be used to easily form various filter. This paper expounds the basic principle of active band pass filter, the filter transfer function is deduced and gives two kinds of design methods: one is the infinite gain multiple negative feedback ( MFB

6、) active two order band pass filter circuit, the other is a voltage-controlled voltage source ( VCVS ) active two order band pass filter circuit, and the two circuit frequency characteristics are analyzed, through the Multisim circuit simulation design.After simulation and the simulation results ver

7、ify the design method is correct. Key words: active power filter, Band pass, frequency characteristic, Multisim7, Analysis目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 濾波器的簡介11.2 濾波器的發(fā)展歷程11.3 濾波器的分類21.4 濾波器的原理31.4.1模擬濾波的原理31.4.2帶通濾波的原理42 技術(shù)指標及參數(shù)介紹62.1 技術(shù)指標62.2 實際濾波器的參數(shù)介紹63 電路的模塊介紹83.1 高通濾波器的設(shè)計83.1.2電路參數(shù)的計算83.1.3 電路的仿真結(jié)

8、果93.2 低通濾波器的設(shè)計103.2.1電路的設(shè)計103.2.2電路參數(shù)的計算113.2.3電路的仿真結(jié)果123.3 運算放大器LM324134 方案的設(shè)計154.1 方案一：二階壓控電壓源帶通濾波電路154.1.1方案一的電路設(shè)計154.1.2方案一的電路計算164.2 方案二:無限增益多路反饋帶通濾波電路174.2.1方案二的電路設(shè)計174.2.2方案二電路計算174.3方案三: 四階壓控電壓源帶通濾波電路184.4實現(xiàn)方案的原理分析184.5有源濾波器的快速設(shè)計方法194.6濾波器的快速設(shè)計步驟214.7方案比較215 Multisim的仿真結(jié)果及分析235.1仿真軟件Multisim

9、的介紹235.2方案一的仿真及結(jié)果分析235.3 方案二的仿真及結(jié)果分析265.4方案三的仿真及結(jié)果分析295.5 實驗的結(jié)果分析31總 結(jié)32參考文獻33致 謝341 緒論1.1 濾波器的簡介 濾波器（filter）是一種對信號有處理作用的器件或電路。主要作用是：讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。 濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號,利用這個特性可以將通過濾波器的一個方波群或復(fù)合噪波，而得到一個特定頻率的正弦波。濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可使混合的交直流電流分開。 濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件?！安ā笔且粋€非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)

10、領(lǐng)域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。信號在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了。 濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程，使用濾波器可以過濾掉信號中的噪聲信號，使信號變得比較純，更接近于有用信號。1.2 濾波器的發(fā)展歷程凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波

11、器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。 1917年美國和德國科學家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。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(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致了RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的

12、單片集成已被研制出來并得到應(yīng)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(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)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(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。1.3 濾波器的分類 按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器： 僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它

13、是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需

14、要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。按照濾波器的頻率特性不同，濾波器通?？梢苑譃樗念悾旱屯V波器、高通濾波器、帶阻濾波器、帶通濾波器。 低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。濾波器的兩類響應(yīng)有巴特沃斯響應(yīng)和切比雪夫響應(yīng)。按最佳逼近特性標準可以分為分：巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和貝塞爾濾波器巴特沃斯濾波器 ：巴特沃斯響應(yīng)能夠

15、最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦，非常接近DC信號，然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要。巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性，其幅頻響應(yīng)表達式為： （1-3-1）切比雪夫濾波器：切貝雪夫濾波器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的，其幅頻響應(yīng)表達式為： （1-3-2）是決定通帶波紋大小的系數(shù)，波紋的產(chǎn)生是由于實際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件；Tn是第一類切貝雪夫多項式。與巴特沃斯逼近特性相比較，這種特性雖然在通帶內(nèi)有起伏，但對同樣的n值在進入阻帶以后衰減更陡峭，更接

16、近理想情況。值越小，通帶起伏越小，截止頻率點衰減的分貝值也越小，但進入阻帶后衰減特性變化緩慢。切貝雪夫濾波器與巴特沃斯濾波器進行比較，切貝雪夫濾波器的通帶有波紋，過渡帶輕陡直，因此，在不允許通帶內(nèi)有紋波的情況下，巴特沃斯型更可?。粡南囝l響應(yīng)來看，巴特沃斯型要優(yōu)于切貝雪夫型，通過上面二圖比較可以看出，前者的相頻響應(yīng)更接近于直線。 貝塞爾濾波器 ：只滿足相頻特性而不關(guān)心幅頻特性。貝塞爾濾波器又稱最平時延或恒時延濾波器。其相移和頻率成正比，即為一線性關(guān)系。但是由于它的幅頻特性欠佳，而往往限制了它的應(yīng)用。1.4 濾波器的原理 1.4.1模擬濾波的原理我們知道，模擬濾波器是對模擬信號實行線性濾波的一種線

17、性時不變系統(tǒng)，如圖1.1所示。在時域內(nèi)，它的動態(tài)特性可以用系統(tǒng)的單位沖激函數(shù)的響應(yīng)來描述，也就是該濾波系統(tǒng)在任何時刻對輸入單位沖激信號=（t）的輸出響應(yīng)。這個函數(shù)從時域上反映了該濾波系統(tǒng)的傳輸特性。對于任意輸入信號，系統(tǒng)的輸出可以卷積表示： = (1-4-1)上式表明在對線性濾波器系統(tǒng)進行時域分析時，采用了疊加原理，先將任意輸入信號波形分成不同時間的窄脈沖之和，再分別求出各個脈沖通過濾波器之后的響應(yīng)，并進行線性疊加從而得到總的輸出信號。模擬濾波器,H(s)圖1.1模擬濾波器原理在頻域分析時，線性濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)等于系統(tǒng)的單位沖激函數(shù)的響應(yīng)的拉普拉斯變換： （1-4-2）很明顯，當s=j，上式就

18、是傅立葉變換的表達式，它反映了濾波器的傳輸特性對各種頻率的響應(yīng)，也就是濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)，它決定著濾波特性。當濾波器輸入信號與輸出信號的拉普拉斯變換，得 （1-4-3）這表明兩信號卷積的變換等于各自變換的乘積。在頻譜關(guān)系上，一個輸入信號的頻譜，經(jīng)過濾波器的作用后，被變換成的頻譜。因此，根據(jù)不同的濾波要求來選定，就可以得到不同類型的模擬濾波器。還可以看出，濾波器的濾波過程就是完成信號與它的單位沖激函數(shù)響應(yīng)之間的數(shù)學卷積運算過程。1.4.2帶通濾波的原理帶通濾波器是由高通RC環(huán)節(jié)和低通RC環(huán)節(jié)組成。帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減

19、或抑制。注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。典型的帶通濾波器可以由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，從而實現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖如圖1.2所示。 要將高通的下限截止頻率2設(shè)置小于低通的上限截止頻率1。其原理圖如下圖所示：低通濾波器V0Vi高通濾波器圖1.2 帶通濾波器的原理框圖阻帶通帶阻帶Aw0圖1.3 理想帶通濾波器的幅頻特性 在有源濾波器中，除集成運算放大器外，常包含復(fù)雜的無源網(wǎng)絡(luò)，它是元件的組合，在分析時利用“拉普拉斯”變換將電流電壓變成“像函數(shù)”同時引入運算阻抗代替無源元件，求解有源濾波器的傳遞函數(shù)。將信號從時域轉(zhuǎn)變到頻域，

20、輸入輸出信號都可分解成若干頻率信號。傳遞函數(shù)： （1-4-4）它有幅頻特性,相頻特性。對于有源濾波器利用運放實現(xiàn)放大作用，所以RC環(huán)節(jié)實現(xiàn)濾波功能。其中有n個RC濾波環(huán)節(jié)就為n階濾波，越多越好。運放使濾波器與負載隔離，增強了帶負載的能力。2 技術(shù)指標及參數(shù)介紹2.1 技術(shù)指標設(shè)計一個有源模擬帶通濾波器要求其技術(shù)指標要滿足以下標準：中心截止頻率為：fo = 1 kHz ；電壓增益： Av=2；品質(zhì)因數(shù)Q分別值取10和5；阻帶衰減速率為：-40dB/10倍頻。2.2 實際濾波器的參數(shù)介紹理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶

21、。在過渡帶內(nèi)的成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快越好、越多越好。因此，在設(shè)計實際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。紋波幅度d 在一定頻率范圍內(nèi)，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠小于-3dB。截止頻率fc 幅頻特性值等于0.707A0所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對應(yīng)于-3dB點，即相對于A0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應(yīng)的點正好是半功率點。帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值 上下兩截止頻率之間的頻率范圍

22、稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。在電工學中，通常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當于諧振點的幅值增益系數(shù)， Q=1/2（阻尼率）。對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬 B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。例如一個中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。 倍頻程選擇性在兩截止頻率外側(cè)，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程

23、選擇性，是指在上截止頻率fc2與 2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量 (2-2-1) 或 (2-2-2)倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。即dB10oct。 濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式 ，它是利用濾波器幅頻特性的 -60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來衡量濾波器選擇性，記作 ，即 (2-2-3)理想濾波器矩形系數(shù)為1，常用濾波器矩形系數(shù)為15，顯然， 越接近于1，濾波器

24、的選擇性越好。3 電路的模塊介紹有源模擬帶通濾波器是由三部分組成：高通濾波器、低通濾波器、運算放大器。帶通濾波器是由高通濾波器和低通濾波器串聯(lián)組成。在這里我根據(jù)濾波器的快速設(shè)計表隨機選擇了一組參數(shù)設(shè)計了高通濾波器和低通濾波器。3.1 高通濾波器的設(shè)計高通濾波器是一種用來傳輸高頻信號，抑制或衰減低頻信號的電路。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性越接近理想高通特性。常用的有源二階高通濾波器電路有兩種形式，一種是無限增益多路負反饋有源二階高通濾波器電路，另一種是壓控電壓源（VCVS）有源二階高通濾波器電路。在這里主要介紹壓控電壓源型高通濾波器。3.1.1電路的設(shè)計具體電路圖設(shè)計如下：圖3.1 二階無限增益多

25、路反饋高通濾波器電路3.1.2電路參數(shù)的計算在設(shè)計的過程中我運用的是濾波器的快速算法，在這里我選取截止頻率為fc=100Hz,增益AV=5，下表3.1是高通濾波器的快速算法在該條件下所得到的,數(shù)據(jù)。表3. 1 二階高通濾波器的快速設(shè)計表無限增益多路反饋電路電 路 的 參 數(shù)元件的選取 3.1.3 電路的仿真結(jié)果圖3.2 高通濾波器的幅頻響應(yīng)圖3.3高通濾波器的幅頻響應(yīng)及相位特性結(jié)果分析：根據(jù)圖3.2和圖3.3可以求得濾波器的性能參數(shù)為AV=4.935，fc=98Hz100Hz,說明這種快速算法在誤差允許的情況下是正確的。 3.2 低通濾波器的設(shè)計常用的有源二階低通濾波器電路有兩種形式，一種是無

26、限增益多路負反饋有源二階低通濾波器電路，另一種是壓控電壓源（VCVS）有源二階低通濾波器電路。在此主要介紹壓控電壓源（VCVS）有源二階低通濾波器電路。3.2.1電路的設(shè)計具體的電路如圖：圖3.4 壓控電壓源（VCVS）有源二階低通濾波器電路3.2.2電路參數(shù)的計算在設(shè)計的過程中我運用的是濾波器的快速算法，在這里我選取截止頻率為fc=2KHz,增益AV=2，下表3.1是高通濾波器的快速算法在該條件下所得到的數(shù)據(jù)。表3. 2 二階低通濾波電路的快速設(shè)計表壓控電壓源電路性 能 參 數(shù) 元件的選取 3.2.3電路的仿真結(jié)果圖3.5低通濾波器的幅頻響應(yīng)圖3.6低通濾波器的交流分析圖結(jié)果分析：根據(jù)圖3.

27、5和圖3.6可以求得濾波器的性能參數(shù)為AV=2.082，fc=2KHz,說明這種快速算法在誤差允許的情況下是正確的。3.7低通濾波器的輸入輸出波形圖以上電路的信號從運放的同相輸入端輸入，故濾波器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，運放和 R5、R8組成電壓控制電壓源，因此稱為壓控電壓源LPF。并且電容C3原來是接地的，改為接到輸出端，形成集成運算放大器的正反饋。對于這個反饋，左邊的電容C3使相位超前，右邊的C4仍使相位滯后。只要參數(shù)選的合適，可使整個電路在f0附近既帶有正反饋而又不造成自激振蕩。這樣，就可使濾波器f= f0附近的電壓增益提高，使f= f0附近的對數(shù)幅頻特性接近理想的水平線。 3.3

28、運算放大器LM324LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用下圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3.8。 圖3.8運算放大器LM324的管腳排列圖4 方案的設(shè)計常用的有源二階低通濾波器電路有兩種形式

29、，一種是無限增益多路負反饋（MFB）有源二階帶通濾波器電路，另一種是壓控電壓源（VCVS）有源二階帶通濾波器電路。圖4.1所示的電路為壓控電壓源電路，其中運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源，故稱為電壓控制電壓源電路，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定、增益容易調(diào)節(jié)。圖4.2所示電路為無限增益多路反饋電路，其中運放為反相輸入，輸出端通過、形成兩條反饋支路，故稱為無限增益多路反饋電路。其優(yōu)點是電路有倒相作用，使用的器件較少，但增益調(diào)節(jié)對其想能參數(shù)會有影響，故應(yīng)用范圍比VCVS電路要小。在該設(shè)計中我把兩個方案都做出來，并進行了比較。4.1 方案一：二階壓控電壓源帶通濾波電路4.1.

30、1方案一的電路設(shè)計方案一的電路圖如下圖所示：圖4.1 壓控電壓源帶通濾波電路圖4.1.2方案一的電路計算比例系數(shù) (4-1-1)當C1=C2=C時，R1=R4，R2=2R4時，電路的傳遞函數(shù) (4-1-2)令中心頻率，則電壓放大倍數(shù) （4-1-3） 當f=f0時，得通帶放大倍數(shù) （4-1-4）令式（4-1-3）分母的模為2，即式（4-1-3）分母虛部的絕對值為1，即 （4-1-5） 解方程，取正值，就可得到下限截止頻率fp1，和上限截止頻率fp2分別為 （4-1-6） （4-1-7）因此，通頻帶 （4-1-8）4.2 方案二:無限增益多路反饋帶通濾波電路4.2.1方案二的電路設(shè)計方案二的電路圖

31、如下圖所示：圖4.2 無限增益多反饋帶通濾波電路圖4.2.2方案二電路計算圖4.2給出了多重反饋型BPF的電路圖，其常數(shù)是增益 (4-2-1)若給定，（0），Q，由于，則有 (4-2-2)若=則有 (4-2-3) (4-2-4) (4-2-5)若（開路），則有 (4-2-6) (4-2-7)4.3方案三: 四階壓控電壓源帶通濾波電路為了比較電路的階數(shù)的不同時帶通濾波器有什么不同，我又設(shè)計了方案三，在這個方案中我設(shè)計的是壓控電壓源帶通濾波器，這個濾波器的Q=10，是由兩個Q=10的壓控電壓源帶通濾波器組成。具體電路如下：圖4.3 四階壓控電壓源帶通濾波電路4.4實現(xiàn)方案的原理分析方案一由壓控電壓

32、源（VCVS）有源二階低通濾波器電路和壓控電壓源（VCVS）有源二階高通濾波器電路組成。低通濾波器提供限截止頻率，高通濾波器提供下限截止頻率，二者結(jié)合出現(xiàn)通頻帶。上圖中，左邊是高通濾波器，右邊是低通濾波器。圖中R4與R5實現(xiàn)對輸入信號的放大，和運放構(gòu)成反相比例放大電路。R1與C2、R2與C1構(gòu)成低通濾波器和高通濾波器，R3引入正反饋，使相位超前，R5使相位落后，只要參數(shù)合適，可以使fo附近既有正反饋又不造成自激振蕩。這樣就使fo附近的電壓增益提高，又使其附近的對數(shù)幅頻特性接近理想水平線。同樣的R5與C4、R6與C3構(gòu)成低通濾波器，C4引入正反饋，作用同R2。方案三的電路是由兩個方案一的電路組成

33、，其基本原理同方案一。4.5有源濾波器的快速設(shè)計方法在設(shè)計濾波器時，通常給定的性能指標有截止頻率或截止角頻率，帶內(nèi)增益，以及濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。在設(shè)計中，如果僅由截止角頻率，帶內(nèi)增益及品質(zhì)因數(shù)Q這三個數(shù)求出電路中的所有R、C元件的值，是相當困難的。通常是先設(shè)定一個活幾個元件的值，再有帶通濾波器的計算公式建立方程組，求其它的元件的值。設(shè)定的元件參數(shù)越少，方程求解越難，但電路的調(diào)整較方便。現(xiàn)在已用計算機完成了方程組的求解，并將具有巴特沃思相應(yīng)、切比雪夫響應(yīng)的n=28階的有源濾波器的電路及其所有的RC元件的值制成設(shè)計表，設(shè)計人員只需要查表就能得到濾波器的電路及RC元件電路。稱這種查表發(fā)為有源濾波器的

34、快速設(shè)計方法。以下取了，Q=5、10，=2，截止頻率=1khz時得快速設(shè)計值，如下表所示： 表4.1 濾波器截止頻率與電容C及參數(shù)K的對應(yīng)關(guān)系表4. 2 帶通濾波電路的快速設(shè)計表壓控電壓源電路無限增益多路反饋電路性 能 參 數(shù) 設(shè) 計 表Q=5Q=10Q=5Q=10R1=7.958KR1=15.915R1=3.979R1=7.958R2=2.416R2=2.332R2=0.166R2=0.080R3=1.208R3=1.166R3=15.915R3=31.831R4=4.832R4=4.664R5=4.832R5=4.664電阻為參數(shù)K=1時得值，單位為k調(diào)節(jié)R4、R5可調(diào)整AV，f0不變，帶

35、寬BW（或Q）改變調(diào)整R1可調(diào)整增益AV，但影響f0,調(diào)節(jié)R3將影響帶寬BW（或Q）。同相端和地之間接一個等于R3的電阻使直流失調(diào)減到最小 有表4.1可得截至頻率與電容C的關(guān)系如下表4.3所示：表4.3 濾波器截止頻率與電容C的對應(yīng)關(guān)系截止頻率單位HZ1-1010-電容C1-1010-截止頻率單位HZ-電容C(0.1-300)(0.003-0.001)(680-10)濾波器的快速設(shè)計方法：根據(jù)截止頻率，從表4.2中選擇一個電容C的標稱值（單位uf），使其滿足 從設(shè)計表4.1中查出與對應(yīng)的電容值及K=1時得電阻值。再將這些電阻值乘以K，得電阻的設(shè)計值。實驗調(diào)整并修改電容、電阻值，測量濾波器的性能

36、參數(shù)，繪制幅頻特性曲線。4.6濾波器的快速設(shè)計步驟在這里只求Q=10時壓控電壓源帶通濾波器的參數(shù)值：由表4.3得中心頻率fo=1KHz時，可取C=0.02uf，此時對應(yīng)的參數(shù)K=5；在設(shè)計表4.2中查Q=10時，得Av=2、K=1時的電阻值R1=15.915 ,R2=2.332 ,R3=1.166 ,R4=R5=4.664 ;將上述電阻值乘以參數(shù)K=5，得R1=79.575,R2=11.66,R3=5.85,R4=R5=23.33 ;實驗調(diào)整，輸入信號Vi=100mV，測帶通濾波器的各項性能參數(shù)，測量結(jié)果為:fo=1KHz，BW=200Hz，AV=1.3，Q=5。幅頻特性的衰減速度由電路的品質(zhì)

37、因數(shù)Q決定。還可以進一步調(diào)整修改元件參數(shù)，使性能指標達到設(shè)計要求。Q=5時壓控電壓源帶通濾波器、Q=5時的無限增益多反饋帶通濾波器及Q=10時的無限增益多反饋帶通濾波器設(shè)計步驟和Q=10時的壓控電壓源帶通濾波器的設(shè)計步驟相同。4.7方案比較方案一、方案二和方案三的比較：方案一與方案二都是二階有源帶通濾波器，其幅頻響應(yīng)的斜率為-40dB/十倍頻。該電路都采用了壓控型濾波器。正反饋的加入使濾波器在f0附近的電壓增益提高，使f0附近的對數(shù)幅頻特性接近理想的水平線。方案一是壓控電壓源電路，其中運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。方案二是無限增益多路反饋電路，其中運放為反相輸入，輸出電阻通過C和

38、R形成兩條反饋支路，其優(yōu)點是電路有倒相作用，使用的元件少。方案二增益調(diào)節(jié)對電路的性能參數(shù)會有影響，其應(yīng)用范圍沒有電壓控制電壓源電路的應(yīng)用范圍廣。方案三是壓控電壓源四階帶通濾波器，該電路的階數(shù)比方案一的階數(shù)高，濾波性能比方案一的要好。5 Multisim的仿真結(jié)果及分析5.1仿真軟件Multisim的介紹自從加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出了EDA軟件工具ElectronicsWorkbench后，該軟件不斷得到改進與升級，用戶越來越多。該公司1999年推出的電路設(shè)計仿真工具Multisim（6.11版），目前在不斷升級完善。Multisim 提供了全面集成

39、化的設(shè)計環(huán)境，完成從原理圖設(shè)計輸入、電路仿真分析到電路功能測試等工作。當改變電路連接或改變元件參數(shù)，對電路進行仿真時，可以清楚地觀察到各種變化對電路性能的影響 。該軟件有以下特點：所見即所得的設(shè)計環(huán)境；互動式的仿真界面；動態(tài)顯示元件（如LED，七段顯示器等）；具有3D效果的仿真電路；虛擬儀表；分析功能與圖形顯示窗口。軟件的仿真過程：取用元件：從元器件庫中取用所需元件；擺放元件：調(diào)整元件的位置與方向；線路連接：連接元件的引腳。啟動仿真：啟動仿真。5.2方案一的仿真及結(jié)果分析 Q=10時的仿真圖:圖5.1 Q=10時的壓控電壓源帶通濾波電路的幅頻特性曲線圖5.2 Q=10時壓控電壓源帶通濾波電路的

40、交流分析圖結(jié)果分析：由圖5.1可直接看出該電路的中心頻率f0=1.009KHz1KHz,又有圖可知，計算得出AV=1.9052，經(jīng)驗證，在誤差允許的范圍內(nèi)該電路基本上符合題目的要求。 Q=5時的仿真圖:圖5.3 Q=5時的壓控電壓源帶通濾波電路的幅頻特性曲線圖5.4 Q=5時壓控電壓源帶通濾波電路的交流分析圖結(jié)果分析：由圖5.3可直接看出該電路的中心頻率f0=996.869Hz1KHz,又有圖可知，計算得出AV=2.0192，經(jīng)驗證，該電路基本上符合題目的要求。圖5.5 Q=5時壓控電壓源帶通濾波電路的波形圖 由圖5.5可知壓控電壓源帶通濾波器是從運放的同相輸入端輸入的，輸入輸出波形同相。還可

41、以求出放大倍數(shù)為1.803V/912.177mV=1.9772。5.3 方案二的仿真及結(jié)果分析Q=10時的仿真圖圖5.6 Q=10時無限增益多反饋帶通濾波電路圖的幅頻特性曲線圖5.7 Q=10時無限增益多反饋帶通濾波電路圖的交流分析圖結(jié)果分析：由圖5.6可直接看出該電路的中心頻率f0=984.44Hz1KHz,又有圖可知，計算得出AV=1.9892，經(jīng)驗證，該電路在誤差允許的范圍內(nèi)基本上符合題目的要求。Q=5時的仿真圖圖5.8 Q=5時無限增益多反饋帶通濾波電路圖的幅頻特性曲線圖5.9 Q=5時無限增益多反饋帶通濾波電路圖的交流分析圖結(jié)果分析:由圖5.8可直接看出該電路的中心頻率f0=1.02

42、2KHz1KHz,又有圖可知，計算得出AV=1.872，經(jīng)驗證，在誤差允許的范圍之內(nèi)該電路基本上符合題目的要求。 由圖5.7和圖5.9可以比較出品質(zhì)因數(shù)Q和帶寬BW有關(guān)，Q越大，幅頻特性曲線越窄，即通頻帶越?。籕越小，幅頻特性曲線越寬，即通頻帶越小。圖5.10無限增益多反饋帶通濾波電路圖的輸入輸出波形圖結(jié)果分析：由圖5.10可知無限增益多路反饋帶通濾波器是從運放的反相輸入端輸入的，輸入輸出波形反相。還可以求出放大倍數(shù)為1.794V/912.177mV=1.972，與方案所要求的條件基本符合。5.4方案三的仿真及結(jié)果分析圖5.11 Q=10時的四階壓控電壓源帶通濾波電路的幅頻特性曲線圖5.12

43、Q=10時四階壓控電壓源帶通濾波電路的交流分析圖結(jié)果分析：由圖5.11可直接看出該電路的中心頻率f0=1.009KHz1KHz,又有圖可知，計算得出AV=3.63大約等于4，該電路的增益基本上是二階電路的二倍，即等于兩個電路相乘。經(jīng)驗證,在誤差允許的范圍內(nèi)該電路基本上符合題目的要求。由圖5.2和圖5.12可以比較出帶通濾波器的階數(shù)與過渡帶有關(guān)，階數(shù)越高帶通濾波器的過渡帶越小，幅頻特性曲線越平緩，越接近理想的帶通濾波器。還可以得出四階電路的放大倍數(shù)是兩個二階電路的乘積。圖5.13無限增益多反饋帶通濾波電路圖的輸入輸出波形圖由圖5.13可知壓控電壓源帶通濾波器是從運放的同相輸入端輸入的，輸入輸出波

44、形同相,還可以求出放大倍數(shù)為3.679V/912.177mV=4.0324,基本上符合題目的要求。5.5 實驗的結(jié)果分析由上面的仿真圖可以得出如下結(jié)論：增益AV2；中心頻率f01K；由濾波器的交流分析圖5.2和圖5.4、圖5.7和圖5.9比較可以得到如下結(jié)論：Q值越大，通帶放大倍數(shù)數(shù)值越大，頻帶越窄，選頻特性越好；由輸入輸出波形圖5.5、圖5.10和圖5.13可得如下結(jié)論:壓控電壓源帶通濾波器輸入輸出同相，無限增益多反饋帶通濾波器輸入輸出反相；還可以根據(jù)U0/Ui求出放大倍數(shù)，即AV；由圖5.2和圖5.12可知濾波器的階數(shù)越高過渡帶越窄；經(jīng)過電路的仿真分析可以驗證該電路的設(shè)計基本符合題目的要求

45、。總 結(jié) 在電子電路中，輸入信號的頻率有很多，其中有些頻率是需要的工作信號，有些頻率是不需要干擾信號頻率分量。如果這兩個信號在頻率成分上有較大的差別，就可以用濾波的方法將所需要的信號濾出。為了解決上述問題，我們必須要采用濾波電路，這就是這次畢業(yè)設(shè)計的意義所在。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我更好地認識到了Multisim7軟件在電路仿真中的應(yīng)用。最后這次設(shè)計也讓我跟好的掌握了濾波器的特性，特別是帶通濾波器的特性及實現(xiàn)，讓我接觸到了很多在模電書中沒有深入了解的知識，如Q品質(zhì)因數(shù)，傳遞函數(shù)，巴特沃斯特性和切比雪夫特性。 在剛拿到畢業(yè)設(shè)計的題目及要求時，感覺自己有種無能為力的感覺，因為當時我們的老師并沒有將很多

46、關(guān)于濾波器方面的知識，而與電容電感這些元器件有關(guān)的計算向來就比較麻煩，自己就有點怕，但是還好自己并沒有被這種心理所馴服，自己在網(wǎng)上收資料，去圖書館，看模電書，自己一點點的學。先在模電書上第七章的一階RC低通高通濾波電路的引入開始，了解RC低通濾波電路的特點和RC高通濾波電路的特點；并在深入了解其相應(yīng)的計算后，通過有源濾波器的學習更加深入的了解了低通濾波、高通濾波、帶阻濾波和帶通濾波的特點，及其實現(xiàn)方案，當然書本上的知識有限，要想再深一步的了解還要通過上網(wǎng)、圖書館查閱相關(guān)的資料，彌補了課本知識的不足。經(jīng)過幾天的查閱資料分析電路的原理圖，終于把這個設(shè)計做好了，而且經(jīng)過軟件的仿真證明了我所做的設(shè)計在誤差允許的范