黃岡師范學(xué)院 實驗課程設(shè)計報告 課程:《電子技術(shù)綜合實驗（二）》題目:程控濾波器設(shè)計與制作專業(yè)班級：電子信息工程2012級學(xué)號：2014222020305學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：完成日期:2015年6月濾波器設(shè)計專業(yè)：電子信息工程班級：201203班作者：胡斯哲指導(dǎo)老師：謝偉摘要 在工業(yè)場合，電子電力系統(tǒng)中，電路會受到雜波的干擾，所以濾波器在電路中應(yīng)用十分廣泛。本論文是基于Proteus設(shè)計并實現(xiàn)有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器，對有源濾波器的設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，實現(xiàn)了六階巴特沃斯帶通和帶阻濾波器設(shè)計，用仿真軟件Proteus對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了仿真與分析，并將仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析。關(guān)鍵詞：PROTEUS；巴特沃斯；帶通濾波器；帶阻濾波器目錄摘要 1目錄 21、緒論 31.1濾波器的發(fā)展階段 31.2課題研究的背景 32、原理分析 43、設(shè)計框圖 54、濾波設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計 64.1方案比較 64.2技術(shù)參數(shù)確定和設(shè)計步驟 74.3Proteus仿真波形及頻率響應(yīng)圖 84.3.1低通濾波器 84.3.2高通濾波 94.3.3帶通仿真 104.3.4帶阻濾波器 104.4實驗數(shù)據(jù) 115、結(jié)束語 126、參考文獻(xiàn) 13附錄一 14附錄二 16

1、緒論1.1濾波器的發(fā)展階段電容濾波器是由電路元件相互連接構(gòu)成的一種選頻網(wǎng)絡(luò)。從1915年Wagner和Campbell分別首次提出濾波器的概念以來，濾波器經(jīng)歷了無源分立RLC元件、集成線性元件/混合集成電路和單片全集成電路的發(fā)展歷程，取得了長足的進(jìn)步。隨著濾波器理論的發(fā)展，特別是1977年美國加州大學(xué)Berkeley分校的學(xué)者組成的研究小組集成了第一片單片MOS開關(guān)電容濾波器，開關(guān)電容濾波器成為了濾波器理論中十分活躍的分支，受到了電路理論工作者和集成電路設(shè)計者的廣泛關(guān)注。開關(guān)電容濾波器(SCF)電路其核心部分由模擬開關(guān)、電容器和運算放大器組成，其傳輸函數(shù)系統(tǒng)特性取決于電容容量比的準(zhǔn)確性，易于用MOS工藝實現(xiàn)。因此，70年代末，MOS工藝發(fā)展迅速，MOS器件在速度、集成度、相對精度控制和微功率等方面都有獨特的優(yōu)勢，為開關(guān)電容濾波器電路的迅速發(fā)展提供了很好的條件。國際上，70年代末至80年代中是SCF大發(fā)展時期，完成了從原理、結(jié)構(gòu)探討至工業(yè)化過程，并被廣泛應(yīng)用于通訊等領(lǐng)域。國內(nèi)在70年代有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的電子產(chǎn)品。目前，開關(guān)電容濾波器正向著集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向發(fā)展，出現(xiàn)了很多的新方法來設(shè)計低電壓、低功耗、低電容比和運放增益靈敏度的SC濾波器。而隨著開關(guān)電容濾波器設(shè)計技術(shù)的日加成熟，開關(guān)電容濾波器的應(yīng)用也更加廣泛.從無限通訊到視頻應(yīng)用，再到集成電路設(shè)計，開關(guān)電容濾波器都越來越多的發(fā)揮著重要的作用。1.2課題研究的背景

隨著濾波系統(tǒng)在各類電子裝置中的普遍使用，普通的濾波器在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。低精度的濾波器在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對濾波器提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場。

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。傳統(tǒng)濾波器功能單一，調(diào)節(jié)精度不高，人機(jī)界面不友好，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已有高階專用的開關(guān)電容濾波器芯片，但其價格高，電路噪聲也不盡如人意，此外還存在信號混疊問題。

濾波系統(tǒng)是目前濾波器的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸

如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。2、原理分析1、有源ＲＣ低通濾波器的設(shè)計（LP）下圖為有源二階低通濾波器的電路圖和幅頻特性曲線圖。其幅頻特性頂部平坦，但其過渡帶的陡度只有－40分貝/十倍頻程，濾波效果不理想。若將三個二階濾波器串聯(lián)，就可構(gòu)成一個6階有源低通濾波器，其幅頻特性頂部與二階有源低通濾波器一樣，但其過渡帶的陡度有－120分貝/十倍頻程，濾波效果非常好，接近理想特性。圖12、有源ＲＣ高通濾波器的設(shè)計（HP）將有源ＲＣ低通濾波器中的電阻和電容對換，即可實現(xiàn)有源ＲＣ高通濾波器。電路如圖-2。圖-23、有源ＲＣ帶通濾波器的設(shè)計（BP）將有源ＲＣ高通濾波器和有源ＲＣ低通濾波器進(jìn)行串聯(lián)來實現(xiàn)有源RC帶通濾波器。4、有源ＲＣ帶阻濾波器的設(shè)計（BE）將有源ＲＣ高通濾波器和有源ＲＣ低通濾波器進(jìn)行串聯(lián)來實現(xiàn)有源RC帶通濾波器。有源ＲＣ帶通濾波器和有源ＲＣ帶阻濾波器是由有源ＲＣ低通濾波器、有源ＲＣ高通濾波器的串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成的，因此系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是有源ＲＣ高通濾波器和有源ＲＣ低通濾波器。其性能的好壞影響到有源ＲＣ帶通濾波器、有源ＲＣ帶阻濾波器的性能。3、設(shè)計框圖圖3通過切換開關(guān)選擇高通和低通濾波器。k2、k3、k4斷開，k1閉合時，預(yù)置為有源RC低通濾波器；k1、k2斷開，k3、k4閉合時,預(yù)置為有源RC高通濾波器；k1、k3斷開，k2、k4閉合時,預(yù)置為有源RC帶通濾波器；k2斷開，k1、k3、k4閉合時,預(yù)置為有源RC帶阻濾波器；4、濾波設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計4.1方案比較1、有源RC濾波器通帶截止頻率的控制要實現(xiàn)濾波器的截止頻率在1kHz—20kHz范圍內(nèi)按1kHz步進(jìn)，有兩種方法：方案一、固定電阻，切換電容由于電容的系列值較電阻少，且電容的選取難，如果近似選取，產(chǎn)生的誤差較大，很難達(dá)到題目的要求。方案二、固定電容，切換電阻經(jīng)比較，由于電阻系列值較多，容易選取，且價格低，元器件參數(shù)的選擇和控制方便。2、濾波方案選擇通過EWB軟件仿真，得到有源RC低通契比雪夫、有源RC低通巴特沃斯、有源RC低通貝塞耳濾波器幅頻特性曲線如圖4所示。圖4通過對圖（4）中的三種幅頻特性曲線的比較和分析，巴特沃斯有源RC低通濾波器的頂部平坦，通帶特性好，該濾波器在過渡帶衰減的陡度大，可獲得陡峭的頻率特性。因此，選用巴特沃斯有源RC低通濾波器能達(dá)到較好的濾波效果。4.2技術(shù)參數(shù)確定和設(shè)計步驟確定濾波器的階數(shù)N對于巴特沃斯濾波器其幅頻特性一般表達(dá)式為:A=Aup1+ffo根據(jù)題目的要求f/fo=2(高通f/fo=1/2)從通帶截止頻率處到2倍通帶截止頻率處衰減32db以上，則有：20lgA得到：n>=5.3(n

取整數(shù))經(jīng)上述計算至少需要6階巴特沃斯濾波器才符合要求。2、電阻和電容的確定：設(shè)通帶截止頻率為f0＝1kHz。根據(jù)fo=1/（2лRC）=1000(kHz)，考慮電阻、電容的系列值，首先選取RC濾波網(wǎng)絡(luò)中的電容為C=2200PF。當(dāng)通帶截止頻率f0＝1KHz時，電阻R為72kΩ；當(dāng)通帶截止頻率f0＝2KHz時，電阻R為36KΩ；當(dāng)通帶截止頻率f0＝4KHz時，電阻R為18kΩ；當(dāng)通帶截止頻率f0＝8KHz時，電阻R為9kΩ；當(dāng)通帶截止頻率f0＝10KHz時，電阻R為7.2kΩ；4.3Proteus仿真波形及頻率響應(yīng)圖4.3.1低通濾波器六階低通濾波器的波形如圖5，頻率響應(yīng)為圖6。在圖5中綠色波形為輸入波形，紅色波形為二階輸出，藍(lán)色為四階輸出，黃色波形為六階輸出。在圖6中，藍(lán)紅綠分別為二、四、六階的頻率響應(yīng)。電路見附錄一綠紅藍(lán)黃綠紅藍(lán)黃圖5六階四階二階六階四階二階圖64.3.2高通濾波輸入圖7中，紅色為輸入波形，綠色為二階輸出波形，藍(lán)色為四階輸出波形，黃色為六階輸出波形；圖8中，紅綠藍(lán)分別表示二、四、六的頻率響應(yīng)圖。輸入六階四階二階六階四階二階圖7六階四階階二階六階四階階二階圖8圖94.3.3帶通仿真圖9中的綠色是輸入的1kHz的方波，其中帶有1khz、3khz、5khz、7khz……奇次諧波。經(jīng)過頻帶為1Khz-10Khz的帶通濾波器后，輸出波形為圖9中的紅色波形。經(jīng)過對紅色波形進(jìn)行傅里葉分析得到圖10；從圖10可以看到的頻率分量有1khz、3khz、5khz、7khz、9khz的分量輸出。其他的頻率分量都被濾掉。電路見附錄一的圖一。圖104.3.4帶阻濾波器圖11是中綠色是輸入1khz的方波，經(jīng)過低通截止頻率為2kHz高頻截止頻率為7Khz的帶阻濾波器后產(chǎn)生的位紅色的波形；而圖12是帶通濾波器的頻率響應(yīng)圖；圖13是輸出的波形經(jīng)過傅里葉分析得到的頻率分量。從圖13可以清楚的看到波形只有小于1Khz和大于7Khz的波形得到放大。電路見附錄一的圖二。圖11圖12圖134.4實驗數(shù)據(jù)低通：輸入頻率KHz實際截止頻率KHz輸入頻率KHz實際截止頻率KHz10.881110.221.81211.5331312.143.811412.954.81514.265.431615.376.71715.887.561817.498.51918.1109.32018.9高通輸入頻率KHz實際截止頻率KHz輸入頻率KHz實際截止頻率KHz11.21111.622.21212.733.61313.244.31414.755.21515.966.41616.377.01717.388.1181899.41919.41010.52020.85、結(jié)束語這次設(shè)計讓我重新復(fù)習(xí)了《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》這本書，在這個過程中，許多以前被忽略的細(xì)節(jié)被重新翻了出來，并且在某種程度上決定整個設(shè)計的方向。同時通過查閱相關(guān)資料，了解了六階帶、阻通濾波器與二階高通、低通濾波器的相互關(guān)系，同時又了解和學(xué)習(xí)了proteus的使用方法。對我來說，這次的設(shè)計題目不算很難，反而是學(xué)習(xí)和掌握一種新的仿真軟件顯得更加重要。對于整個設(shè)計過程，我感慨很多，從選題到定稿，從理論到實踐，中間經(jīng)歷了很多的困難，但是這讓我學(xué)到了很多的東西。通過這次設(shè)計，讓我加深了對于濾波器設(shè)計的理解，進(jìn)一步熟練了對于其原理的掌握，并為我今后在相關(guān)方面的工作和研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

最后，感謝一直給予我