毕业设计（论文）RC有源滤波器的设计

河南质量工程职业学院毕 业 设 计（论 文） 题 目RC有源滤波器的设计系 别机电工程系专 业电子测量技术与仪器班 级08电测班学生姓名学 号指导教师定稿日期2011年3月10日 河南质量工程职业学院毕业设计（论文）任务书专业班级08级电子测量技术与仪器姓名学号指导教师设计（论文）题目RC有源滤波器的设计主要研究内容1、学习RC有源滤波器的设计方法；2、由滤波器设计指标计算电路元件参数；3、设计二阶RC有源滤波器(低通、高通、带通)；4、掌握有源滤波器的测试方法；5、测量有源滤波器的幅频特性。主要技术指标或研究目标1、 低通滤波器：通带增益AUF=2；截止频率fH =2000Hz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频；2、 高通滤波器：通带增益AUF=2；截止频率fL =100Hz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频；3、 带通滤波器：通带增益AUF=2；中心频率：fO =1kHz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频。基本要求1、分别设计二阶RC低通、高通、带通滤波器电路，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤；2、测量技术指标参数；3、测量有源滤波器的幅频特性并仿真；4、写出设计报告。主要参考资料及文献1.谢自美电子线路设计实验测试华中科技大学出版社；2.郑学峰模拟电子技术基础西安电子科技大学出版社；3.杨志忠数字电子技术高等教育出版社；4.顾滨 赵伟军Protel99SE实用教程人民邮电出版社。摘要随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用范围极广，具有较强实践性的技术基础课程。电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革，为了培养学生的动手能力，更好的将理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器的原理以及结构设计一个能够低通、高通、带宽、阻带等多种形式的滤波器。通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。关键词：低通、高通、带宽、阻带滤波器 EWB仿真分析 AbstractWith the development of computer technology, analog electronic technology has become one of the applied range, with strong practical technical foundation course. Electronic circuit analysis and design method also there are major changes, in order to cultivate students practice ability, better to combine theory with practice, in order to adapt to electronic technology rapid development situation, we must pass on this course design, so as to further improve the understanding of our practical ability. Filters in circuit experiment and test equipment in a very wide range of purposes. Now we based on the principle of filter and structural design a can lowpass, qualcomm, bandwidth, stopband, and other forms of filter. We through to circuit analysis, parameter is determined that gives a kind of the most appropriate choice of this topic scheme. In achieving subject the precondition of guarantee the most economical, the most convenient and optimization design strategies. Keywords：Low pass, qualcomm, bandwidth, the stopband filter Electronic Workbench simulation analysis 目录摘要3Abstract4第1章 RC有源滤波器设计71.1总方案设计框图71.1.1框图的作用71.1.2方案选择81.2单元电路设计91.2.1原理图设计91.2.2 滤波器的传输函数与性能参数101.2.3已知条件与设计步骤121.3元件参数的计算151.3.1二阶低通滤波器151.3.2二阶高通滤波器151.3.3二阶带通滤波器161.4 工作原理161.5 元器件选择16第2章EWB仿真分析172.1 EWB软件介绍172.2 二级RC有源高通滤波器的仿真192.3 二级RC有源带通滤波器的仿真202.3结果分析212.3.1观测幅频特性212.3.2 理论值计算及分析22第3章 电路板的制作243.1绘制PCB原理图24致谢27附录 总电路图28附录 元件清单30附录 PCB图31参考文献32 第1章 RC有源滤波器设计1.1总方案设计框图 RC网络反馈网络放大器 图1.1.1 RC有源滤波总框图1.1.1框图的作用1RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。2放大器的作用 电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。3反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过电路印象输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。1.1.2方案选择 滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的通带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输出电阻低，所以能提供一定的信号增益和缓冲作用，这种滤波器的频率范围约为103Hz106Hz,频率稳定度可做到（10105）/摄氏度，频率精度为+（35）%，并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器等的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率）、通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的衰减速度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。1.关于滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好。2.级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB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/20)。3.运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈以保证所需滤波特性，运放的开环增益应在80dB 以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中AefH为滤波通带的传输系数。 如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100k，则应选低漂移高输入阻抗的运放。4.元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率fc (c)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常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求，这就需要设计者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1.1.3初选电容值。表1.1.3 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系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 1.2单元电路设计1.2.1原理图设计1. 低通滤波器 图1.2.1.1低通滤波器电路图2高通滤波器图1.2.1.2 高通滤波器电路图3带通滤波器图1.2.1.3 带通滤波器电路图 1.2.2 滤波器的传输函数与性能参数由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，因受运算放大器带宽限制，这类滤波器仅适用于低频范围，根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻四种滤波器，它们的幅频特性如下图所示，具有理想特性的滤波器是很难实现的，只能用实际特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应。在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好，如果给定带内所允许的纹波差，则切比雪夫响应较好。 （a）二阶低通滤波电路 （b）二阶高通滤波电路（c）二阶带宽滤波电路图1.2.2 二阶有源滤波器电路图表1.2.2 二阶RC滤波器的传输函数表类型传输函数低通A(s)=Avc2/(s2+cs/Q+c2)高通A(s)=Avs2/(s2+cs/Q+c2)带通A(s)=Av02s/Q(s2+cs/Q+c2)1.2.3已知条件与设计步骤1.已知条件 已知滤波器的响应、滤波器的电路形式、滤波器的类型、滤波器的性能参fC,Q,BW或AV 。2.设计步骤（1）根据截止频率，从表1.1.3中选定一个电容C的标称值，使其满足K=100/fCC (如带通K=100/f0C)。（ 1.2.3）注意：K不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入增加，通常取1K10。（2）从设计表中查出与AV对应的电容值及K=1时的电阻值。再将这些阻值乘以参数K的电阻的设计值。（3）实验调整并修改电容、电阻值，测量滤波器的性能参数，绘制幅频特性。表1.2.3 电路设计表（a） 二阶低通滤波器设计表性能参数c2=1/(R1R2CC1)Q=0.707Av=1+R4/R3(Av2时电路稳定)设计表电路元件值AV 1 2 4 6 8 10 R1 1.422 1.126 0.824 0.167 0.521 0.462R2 5.399 2.250 1.537 2.051 2.429 2.742R3 开路 6.752 3.148 3.203 3.372 3.560 R4* 0 6.752 9.444 16.012 23.602 32.039C1 0.33C C 2C 2C 2C 2C说明增益容易调整，输入阻抗高，输出阻抗低，运放R110（R1+R2）, 输入端到地要有一直流通路，在c处，运放的开环增益至少应是滤波器增益的50倍电阻为参数K=1时的值，单位为K(b) 二阶高通滤波器设计表性能参数c2=1/(R1R2CC1)Q=0.707Av=1+R4/R3(Av2)设计表电路元件值AV 1 2 4 6 8 10R1 1.125 1.821 2.592 3.141 3.593 3.985R2 2.251 1.391 0.977 0.806 0.705 0.636R3 开路 2.782 1.303 0.968 0.806 0.706 R4* 0 2.782 3.910 4.838 5.640 6.356说明要求运放R1大于10倍R2、R3、R4的选取要考虑对失调影响，在c处，运放的开环增益Av0至少是滤波器增益的50倍电阻为参数K=1时的值，单位为K (c) 二阶带通滤波器设计表 性能参数c2=1/(R2C)（1/R1+1/R3）Q=0/BW或f0/BW(BW0.707幅频特性会出现峰值现象。在Q=0.707情况下，当f=fn时，20lg|Au/Auf|=-3dB,即特征频率fn就是滤波器的截止频率,并且，Q越大曲线越尖锐。（4）Aumf=20Lg(A0)-3 截止频率f0已知。 2分析（1）低通滤波器首先输入信号Vi=100mV,观察滤波器的截止频率fC及电压放大倍数Ao,测得数据如表2.3.1.1所示，基本满足要求，由于参数的影响较大，故与设计表对比有很大的误差。（2）高通滤波器在测高通滤波器时，其信号发生器的输出幅度随频率的升高而下降，这时应使Vi=100mV不变。测的数据如表2.3.1.2（3）带通滤波器电路的幅频特性的衰减速率主要有电路的品质因数Q决定。测的数据如表2.3.1.3第3章 电路板的制作3.1绘制PCB原理图1.设置电路图纸参数及相关信息2.装入所需的元件库3.放置元件4.电路图布线5.调整、检查和修改6.补充完善原理图如下（a）二阶低通滤波电路(b) 二阶高通滤波电路(c)二阶带宽滤波电路致谢通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，通过查阅资料电子线路设计实验测试中的快速设计方法，设计出了二级RC有源低通、高通和带通滤波器的电路图，和各个滤波器的元器件参数的确定。这次课程设计让我弄懂了很多以前感觉模糊的东西，同时也带给我成功的喜悦感，增加了我的自信心。此次课程设计过程中遇到不明白的问题，和同学共同讨论分析，请教老师，所有的努力都指向一个明确的目标-确保课程设计的设计成功。此次课程设计不仅使我学会了不少东西，更让我体会到人与人之间的沟通、团队成员的协作的乐趣，感谢此次课程设计过程中给予我们悉心指导的孙振伟老师，同时也感谢我组的其他组员，正是与他们一起，大家的努力，我们成功完成了这次课程设计。附录 总电路图1.高通滤波电路2.低通滤波电路3.带通滤波电路附录 元件清单序号名称型号规格数量1电阻5.6K210.2k113k115.1k118.2k129k229.6k332.8k181.3k12电容0.01u20.02uF20.1uF23运算放大器uA7413附录 PCB图1 二阶低通电路2 二阶高通电路3 二阶带宽电路参考文献谢自美电子线路设计实验测试华中科技大学出版社；郑学峰模拟电子技术基础西安电子科技大学出版社杨志忠数字电子技术高等教育出版社；顾滨 赵伟军Protel99SE实用教程人民邮电出版社。33