精华内容
下载资源
问答
  • 带通滤波器应用实例
    2022-06-08 21:45:15

    用多频信号发生器产生一个多频率成分的信号,通过切比雪夫带通滤波器筛选150Hz~350Hz的信号。

    演示效果如下图所示,经过带通滤波器之后,信号中只剩下200Hz和300Hz的信号。

    在这里插入图片描述
    此外,还可实现低通滤波器,高通滤波器,带阻滤波器等功能,如下动图所演示。

    请添加图片描述
    上述程序,可从以下链接处下载:

    基于Labview带通滤波器设计实例演示

    更多相关内容
  • 带通滤波器可用于隔离或滤除位于特定频带或频率范围内的某些频率。简单的RC无源滤波器中的截止频率或ƒc点可以通过仅使用一个与无极性电容器串联的电阻器来精确控制,并且根据连接它们的方式,我们可以看到低通或...

    带通滤波器可用于隔离或滤除位于特定频带或频率范围内的某些频率。简单的RC无源滤波器中的截止频率或ƒc点可以通过仅使用一个与无极性电容器串联的电阻器来精确控制,并且根据连接它们的方式,我们可以看到低通或获得高通滤波器。

    这些类型的无源滤波器的一种简单用法是在音频放大器应用或电路中,例如在扬声器分频滤波器或前置放大器音调控制中。有时,仅需要通过特定的频率范围,该频率范围不是从0Hz(DC)开始,也不是在某个较高的高频点结束,而是在某个范围或频率范围内(窄或宽)。

          通过将单个低通滤波器电路与高通滤波器电路连接或“级联” ,我们可以生产另一种无源RC滤波器,该滤波器通过选定的范围或“频带”,该频带可以窄或宽,同时衰减所有超出此范围的人。这种新型的无源滤波器装置可产生一个频率选择滤波器,通常称为带通滤波器或简称BPF。

    带通滤波电路

    与仅使低频范围的信号通过的低通滤波器或使高频范围的信号通过的高通滤波器不同,带通滤波器使特定的“频带”或“扩展”频率内的信号通过而不会使输入失真信号或引入额外的噪声。该频带可以是任何宽度,通常称为滤波器Bandwidth。

    带宽通常定义为存在于两个指定频率截止点(ƒc )之间的频率范围,该频率范围 比最大中心或共振峰值低3dB,同时衰减或削弱这两个点之外的其他频率。

    然后,对于广泛的传播频率中,我们可以简单地定义术语“带宽”,BW为下截止频率(之间的差 ƒc LOWER )和更高的截止频率( ƒc 高等 )点。换句话说,BW =ƒ ħ - ƒ 大号。显然,要使通带滤波器正常工作,低通滤波器的截止频率必须高于高通滤波器的截止频率。

    “理想” 带通滤波器还可用于隔离或滤除位于特定频带内的某些频率,例如,消除噪声。带通滤波器通常被称为二阶滤波器(两极),因为它们在电路设计中具有“两个”电抗成分,即电容器。低通电路中的一个电容器,高通电路中的另一个电容器。

    二阶带通滤波器的频率响应

    上方的波特图或频率响应曲线显示了带通滤波器的特性。在这里,信号在低频带,直至频率达到“下限截止”点处的输出在+20分贝/十年(6分贝/倍频程)的斜率增加衰减ƒ 大号。在此频率下,输出电压再次为输入信号值的1 /√2= 70.7%或输入的-3dB(20 * log(V OUT / V IN))。

    输出继续到直到它到达“上限截止”点最大增益ƒ ħ,其中在-20dB /十倍频(6分贝/倍频程)的速率下的输出降低衰减的任何高频信号。最大输出增益的点通常是上下限之间的两个-3dB值的几何平均值,称为“中心频率”或“谐振峰值”值ƒr。这种几何平均值计算为ƒr 2 =ƒ (UPPER) Xƒ (LOWER) 。

    带通滤波器被认为是二阶(两极)型滤波器,因为它的电路结构中具有“两个”电抗分量,因此相角将是先前看到的一阶滤波器的相角的两倍。180 Ò。输出信号的相位角LEADS通过使输入的90 ø到中心或谐振频率,ƒr点分别成为“零”度(0 Ò)或“同相”,然后改变到LAG输入由-90 ø作为输出频率的增加。

    例如,可以使用与低通和高通滤波器相同的公式找到带通滤波器的上限和下限截止频率点。

    那么显然,可以通过两个滤波器的两个截止频率点的位置来控制滤波器的通带宽度。

    带通滤波器示例No.1。

    将使用RC组件构建一个二阶带通滤波器,该滤波器将仅允许一定范围的频率通过高于1kHz(1,000Hz)和低于30kHz(30,000Hz)的频率。假设两个电阻的阻值为10kΩ,则计算所需的两个电容的阻值。

    高通滤波器阶段

    电容器的值C1需要,得到的截止频率ƒ 大号 1kHz时的与电阻值10kΩ的计算公式为:

    然后,高通级给出截止频率为1.0kHz所需的R1和C1的值为:R1 =10kΩ并最接近的首选值C1 = 15nF。

    低通滤波器阶段

    电容器的值C2需要,得到的截止频率ƒ ħ用的电阻器值的30kHz的10kΩ的计算公式为:

    然后,低通级给出截止频率为30kHz所需的R2和C2的值为R =10kΩ和C = 530pF。但是,计算得出的530pF电容器值的最接近首选值是560pF,因此将其替代。

    假设电阻R1和R2的值均为10kΩ,高通和低通滤波器的电容C1和C2的值分别为15nF和560pF,那么我们的简单无源带通滤波器的电路给出为。

    完成的带通滤波器电路

    带通滤波器谐振频率

    我们还可以计算输出增益达到最大值或峰值时带通滤波器的“谐振”或“中心频率”(ƒr)点。该峰值不是您可能期望的-3dB上下截止点的算术平均值,而是实际上的“几何”或平均值。这种几何平均值计算为ƒr 2 =ƒc (UPPER) Xƒc (LOWER)例如:

    中心频率方程

    其中,ƒ - [R是谐振或中心频率

    ƒ 大号是下-3dB截止频率点

    ƒ ħ是上部-3db截止频率点

    在我们的上述简单例子中,所计算出的截止频率被发现是ƒ 大号 = 1060赫兹和ƒ ħ = 28420赫兹使用该滤波器值。

    然后通过将这些值代入上式得出中心谐振频率为:

    带通滤波器摘要

    通过将单个低通滤波器与高通滤波器级联在一起,可以制成一个简单的无源带通滤波器。RC组合的上下-3dB截止点之间的频率范围(以赫兹为单位)被称为滤波器“带宽”。

    滤波器带宽的宽度或频率范围可以非常小和选择性,或者非常宽且非选择性,具体取决于所使用的R和C的值。

    中心或共振频率点是上下截止点的几何平均值。在此中心频率下,输出信号达到最大值,并且输出信号的相移与输入信号相同。

    对于这种情况,来自带通滤波器或任何无源RC滤波器的输出信号的幅度将始终小于输入信号的幅度。换句话说,无源滤波器也是衰减器,其电压增益小于1(单位)。为了提供具有大于一的电压增益的输出信号,在电路设计中需要某种形式的放大。

    甲无源带通滤波器被归类为一个二阶滤波器,因为它具有它的设计中的两个反应性组分,该电容器。它由两个单个RC滤波器电路组成,每个电路本身都是一阶滤波器。

    如果多个过滤器串联在一起所产生的电路将被称为“N 个阶”过滤器,其中的“n”代表个体反应性组分,并且因此过滤器电路内的极数。例如,过滤器可以是一个2 次阶,4 个阶,10 个阶等

    滤波器阶数越高,n倍-20dB / decade的斜率就越大。但是,将两个或多个单独的电容器组合在一起而获得的单个电容器值仍然是一个电容器。

    上面的示例显示了“理想”带通滤波器的输出频率响应曲线,通带具有恒定增益,阻带具有零增益。实际上,该带通滤波器电路的频率响应与高通电路的输入电抗会影响低通电路(串联或并联连接的组件)的频率响应不同,反之亦然。解决该问题的一种方法是在两个滤波器电路之间提供某种形式的电隔离,如下所示。

    缓冲单个滤波器级

    将放大和滤波组合到同一电路中的一种方法是使用运算放大器或运算放大器,运算放大器部分提供了这些示例。在下一个教程中,我们将介绍在设计中使用运算放大器的滤波器电路,这些滤波器不仅会引入增益,而且会在各级之间提供隔离。这些类型的过滤器布置通常称为有源过滤器。

    声明:本站内容及配图由作者撰写或者网站转载。文章及其配图仅供学习参考分享之用,如有内容图片侵权或者其他问题,请联系本站及时删除。

    ☆ END ☆

    精彩回顾

    • 腔体滤波器技术提升解决方案
    • 腔体滤波器设计之----自动单腔频率温飘
    • 秒仿糖葫芦串形低通
    • 秒仿糖葫芦型低通后续之----低通优化
    • TE01模介质滤波器滤波器
    • 无源互调浅析
    • 如何选择谐振杆的尺寸使功率容量达到最佳
    • 金属介质混合+零腔案例
    • 三模并联耦合介质波导滤波器仿真实例
    • 同轴高低阻抗型低通的公差影响几何?
    • Coupfil对高阶强零点生成的结果偶会出错
    • 陶瓷滤波器的各项制备工序讲解_简介篇
    • (干货)陶瓷滤波器讲解----材料篇
    • (干货)陶瓷滤波器讲解----材料制备篇
    • 细而全的5G产业链详解
    • 陶瓷滤波器讲解----陶瓷材料检测篇
    • BAW,SAW和FBAR滤波器剖析
    • LTCC、IPD、SAW、BAW、FBAR滤波器入门以及应用场景分析

    欢迎加入滤波器、多工器、天线、环形隔离器、功分耦合器、连接器、线缆负载等无源器件的大家庭,关注后可加群

    长按扫左侧二维码可关注

    本团队提供可信可靠的滤波器相关产品各种定制化服务,响应快,专业强,敬请咨询微信号18681587206

    点"在看"为本文点个赞,才算真的看完呦

    展开全文
  • 二阶有源带通滤波器设计1、背景对于微弱的信号的处理方式一般是:放大和滤波,这个过程中就涉及到放大电路的选取、滤波器的选择以及偏置电路的设计。本例以实例的方式讲解并附带参数计算、仿真、实物测试三个环节。 ...

    二阶有源带通滤波器设计

    1、背景

    对于微弱的信号的处理方式一般是:放大和滤波,这个过程中就涉及到放大电路的选取、滤波器的选择以及偏置电路的设计。本例以实例的方式讲解并附带参数计算、仿真、实物测试三个环节。

    假设需要处理一个20mV的正弦信号,该信号的频率范围是15~35Hz,经过处理后幅值不超过3.3V,且需要经过带通滤波器滤除杂波。

    2、滤波器定义

    滤波电路又称为滤波器,是一种选频电路,能够使特定频率范围的信号通过,而且其他频率的信号大大衰减即阻止其通过。按滤波器工作频率范围的不同,可分为:

    • 低通滤波器(Low-pass Filter,LPF)
    • 高通滤波器(High-pass Filter,HPF)
    • 带通滤波器(Band-pass Filter,BPF)
    • 带阻滤波器(Band-rejection Filter,BRF)
    • 全通滤波器(All-pass Filter,APF)

    仅由电阻、电容、电感这些无源器件组成的滤波电路称为无源滤波器。如果滤波电路中含有有源元件,如集成运放等,则称为有源滤波器。与无源滤波器相比,有源滤波器具有效率高、带负载能力强、频率特性好,而且在滤波的同时还可以将有用信号放大等一系列有点而得到广泛应用。

    2.1、滤波器种类

    2.1.1、低通滤波器

    f0~f2频率之间,幅频特性平直,它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过,而高于f2的频率成分受到极大地衰减。

    c8762dd4ae4229fa2100ea56d903bc17.png

    图 1低通滤波器

    2.1.2、高通滤波器

      与低通滤波相反,从频率f1~∞,其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过,而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

    130c23db9b84df849e4093db53574cad.png

    图 2高通滤波器

    2.1.3、带通滤波器

      它的通频带在f1~f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过,而其它成分受到衰减。

    4635340d8e9eacb0c7798835b12db83c.png

    图 3带通滤波器

    实际上将低通滤波器和高通滤波器串联,即可构成带通滤波器,此处需要注意高通滤波器的截止频率一定要小于低通滤波器的截止频率即fH<fL,否则新构成的滤波器就会变成全频滤波器。

    37903e3644079811f76c7981199215e5.png

    图 4低通滤波器与高通滤波器的串联

    2.1.4、带阻滤波器

      与带通滤波相反,阻带在频率f1~f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减,其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

    ad68317726760c5065001cee2094bc6c.png

    图 5带阻滤波器

    实际上将低通滤波器和高通滤波器并联,即可构成带通滤波器带阻滤波器。此处需要注意高通滤波器的截止频率一定要大于低通滤波器的截止频率即fH>fL, 否则新构成的滤波器就会变成全通滤波器。

    5ce3fa8ca7846f4bbd85bb71540a730f.png

    图 6低通滤波器与高通滤波器的并联

    2.2、滤波器的基本参数

    理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图中,通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制,只会受到不同程度的衰减。当然,希望过渡带越窄越好,也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此,在设计实际滤波器时,总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。

    如图所示为理想带通(虚线)和实际带通(实线)滤波器的幅频特性。由图中可见,理想滤波器的特性只需用截止频率描述,而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点,两截止频率之间的幅频特性也非常数,故需用更多参数来描述。

    857c6a57c8b84a0d72bbbf5974e3d427.png

    图 7实际滤波器

    2.2.1、纹波幅度d

    在一定频率范围内,实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化,其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比,越小越好,一般应远小于-3dB。

    2.2.2、截止频率fc

    截止频率(Cutoff Frequency):指低通滤波器的通带右边频点或高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点的标准定义。相对损耗的参考基准为:低通以DC处插入损耗为基准,高通则以未出现寄生阻带足够高的通带频率处插入损为基准。

    2.2.3、中心频率(Center Frequency):

    滤波器通带的中心频率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插入损耗最小点为中心频率计算通带带宽。

    2.2.4、带宽B和品质因数Q值

    上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽,或-3dB带宽,单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。在电工学中,通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中,Q值相当于谐振点的幅值增益系数, Q=1/2ξ(ξ——阻尼率)。对于带通滤波器,通常把中心频率f0和带宽 B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器,若其中-3dB带宽为10Hz,则称其Q值为50。Q值越大,表明滤波器频率分辨力越高。

    2.2.5、倍频程选择性W

    在两截止频率外侧,实际滤波器有一个过渡带,这个过渡带幅频曲线的倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢,它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性,是指在上截止频率fc2与 2fc2之间,或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值,即频率变化一个倍频程时的衰减量或倍频程衰减量以dB/oct表示(octave,倍频程)。显然,衰减越快(即W值越大),滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即[dB/10oct]。

    2.2.6、滤波器因数(或矩形系数)

    滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式 ,它是利用滤波器幅频特性的 -60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性.即理想滤波器 =1,常用滤波器 =1~5,显然, 越接近于1,滤波器选择性越好。

    2.2.7、插入损耗(Insertion Loss):

    滤波器插入电路之前传播送到负载阻抗的功率与滤波器插入之后传送到负载阻抗的比值的对数,称为滤波器插入损耗。常以中心或截止频率处损耗表征。

    3、计算过程

    3.1、1.65V偏置电路计算

    抬升电路本质上是一个加法器,其原理是在输入信号的基础加一个偏置量。此处需要将被测信号抬升至0~3.3V范围内,假设信号为正弦信号,且在0V上下波动,因此需要将信号抬升1.65V。整个计算过程使用虚短、虚断的假设,列出如下两个方程,将②式化简并带入①式,可以求得③式。从化简后的③式可以看出:u0=ku2+gu1,其中k、g仅与电阻的大小有关,k为加法电路偏置,g为输入信号增益,此处仅实现1.65V偏置,因此k=2,g=1。如需在偏置的基础上增加对输入信号的放大,可以适当调节电阻阻值,此处不再赘述。为简化电阻选值,假设R1=R3,则、R2=2R1=2R3。该结论适用于同类的抬升电路。

    a070e6a9b3a07e6ba2c24a8d90b81e0a.png

    图 8偏置电路图

    f68e4fc6c18e0a4303fe3acffd712e4e.png

    图 9偏置电路

    根据虚短、虚断列出下面两个方程:

    9462f42787297293c0f82c3d152f9c88.png

    推导出下式:

    326f7075e7f94e944611fdee957e5064.png

    则是偏置电压的偏置常数,是闭环增益,此处希望,,带入可得:。即偏置电路中的二等分偏置电阻是反馈电阻的两倍,反馈端对地电阻和反馈电阻相等。对于有电容的电路,上式电阻(R)可以用阻抗(z)的形式表示。

    此处选择输入电阻为100KΩ,则偏置电路电阻为200KΩ。

    3.2、滤波器计算

    3.2.1、一阶有源滤波器

    4dcb7d7029d85120df07b329b366f393.png

    图 10一阶LPF

    3.2.2、二阶低通滤波器

      为改善滤波效果,使时,信号衰减的更快,一般在上图所示的一阶低通滤波器的基础上再增加一级RC电路就构成二阶有源低通滤波器,如下图所示。

    83d518ab591f98298867dda2c5c03526.png

    图 11二阶LPF

    3.2.3、二阶压控型低通滤波器

    二阶压控型低通有源滤波器中的一个电容器C1原来是接地的,现在改接到输出端。显然C1的改接不影响通带增益。

    6dc736e51ed6304cceb8fe40dcd4d067.png

    图 12二阶压控型LPF

    二阶LPF传递函数:

    16f08463d4bb410f636ae8eebbec1841.png

    通带增益:

    33d766b05298a1ce2984ec7457e8c4bf.png

    上式表明,该滤波器的通带增益应小于3,才能保障电路稳定工作。

    3.2.4、二阶高通滤波器

    高通滤波器电路与低通滤波器在电路上具备对偶性,通过把低通滤波器电路中的R、C互换位置即可得到高通滤波器,并且相应的截止频率也具备这种特性。

    582d07cef47aaedf6bd88a690993ce75.png

    图 13二阶HPF

    二阶HPF传递函数:

    b50059d5aaad4d7601ba10ff8f87e0d4.png

    通带增益:

    33d766b05298a1ce2984ec7457e8c4bf.png

    3.2、二阶滤波器计算

    0395ae9de0b23e6e702fcd16d6946737.png

    时,幅频特性曲线最平坦称为Butterworth滤波器;当Q=1时,称为Chebyshev滤波器;当Q>0.707时后,特性曲线将出现峰值,Q值越大,峰值越高

    LPF:假设待计算滤波器Q=0.7(读者可以根据实际情况取值,此处仅以0.7为例设计)、f0=35Hz。

    根据RC滤波器求解RC值:

    电容值一般取1uF以下,此处以1uF为例计算。

    202f4272f2a3896fc7a99ae97c2207bb.png

    求得R=4.549kΩ,实际取值R=4.3 kΩ。

    根据值求解R1R2 ,当f=f0时,

    0869ac36404bfa55193d909e62dd29bb.png

    则:

    97dfaf0387525bf2dd46e14e335580fc.png

    解得:R1=25.06kΩ,R2=14.29kΩ

    实际取值:R1=24kΩ,R2=15kΩ(实际电阻值是离散数据,选取相近阻值即可)。

    HPF:由于同类型LPF和HPF具有对偶性,实际计算按照LPF计算,电路中替换RC位置即可。

    假设待计算滤波器Q=0.7(读者可以根据实际情况取值,此处仅以0.7为例设计)、。

    根据RC滤波器求解RC值:

    电容值一般取1uF以下,此处以1uF为例计算。

    c96f67b1196ff15c5dd398aee785de32.png

    求得R=10.615kΩ,实际取值R=10 kΩ。

    根据值求解R1R2 ,当f=f0时,

    924c543c4e486071b40ce8cb7e589358.png

    则:

    eadf39550c85413f0f98b8a6e392edfc.png

    解得:R1=58.479kΩ,R2=33.333kΩ

    实际取值:R1=56kΩ,R2=33kΩ(实际电阻值是离散数据,选取相近阻值即可)。

    同理可以计算出Q=1

    LPF:R1=R2=18.19kΩ,实际取值R1=R2=18kΩ

    HPF:R1=R2=42.46 kΩ,R1=R2=43kΩ

    同理可以计算出Q=2.5

    LPF:R1=14.784kΩ,R2= 23.6548‬ kΩ,实际取值R1=15 kΩ、R2=24kΩ

    HPF:R1= 34.499 kΩ,R2= 55.198 kΩ,实际取值R1=33 kΩ、R2=56kΩ

    3.3、Matlab频谱相应仿真

    取Q=0.1~3,步长取0.2,绘制滤波器的波特图,其结果如下图所示,matlab绘图程序详见附录。

    1831e17a49b5a8e0a4e8f25f15278c62.png

    图 14带通滤波器不同Q值下的波特图

    4、Multisim仿真

    4.1、搭建仿真电路图

    7a6875857774cba104e1c4358b32493a.png

    图 15仿真电路图

    4.2、仿真结果

    4.2.1、Q=0.7时

    波特图:

    cd477e627ba0dfbed3dfa71f924ea96d.png

    图 16 Q=0.7时幅频特性图

    e26b32349d51cdc2732e35cf01509526.png

    图 17 Q=0.7时相频特性图

    各点波形输出:(注:紫色:LPF滤波后波形,蓝色:HPF滤波后波形,黄色:1.65V抬升后波形)

    d058864c0ce698cc3f25775200f66c24.png

    图 18仿真波形图

    4.2.2、Q=1时

    仿真图:

    46d441511ebaa36eb89d4ad633b35b85.png

    图 19仿真电路图

    波特图:

    8907e4397f98e128d8f68cdb6faca851.png

    图 20 Q=1时幅频特性图

    a4dda20702acb68f01b030c55fe82dbe.png

    图 21 Q=1时相频特性图

    各点波形输出:(注:紫色:LPF滤波后波形,蓝色:HPF滤波后波形,黄色:1.65V抬升后波形)

    1fa97c1d51ef27c90c9ccc8a3af4fc59.png

    图 22仿真波形图

    4.2.3、Q=2.5时

    仿真图:

    77f13af74c55f8553c1ce69d83a72932.png

    图 23仿真图

    波特图:(注意:此处F=50dB

    3aebadc40a532433be123f73ca37aede.png

    图 24 Q=2.5幅频特性图

    c9b3667a4a19decf01d423f8adfda5a5.png

    图 25 Q=2.5时相频特性图

    各点波形输出:((注:紫色:LPF滤波后波形,蓝色:HPF滤波后波形,黄色:1.65V抬升后波形)

    3872fb93d3688eb94eae67d37175235d.png

    图 26仿真波形图

    从上面Q值的对比可以发现:Q 因子的值越低,滤波器的带宽越宽,因此 Q 因子越高,滤波器越窄,“选择性”越强。由于有源带通滤波器(二阶系统)的品质因数与滤波器响应在其中心谐振频率( fr ) 附近的“锐度”有关,因此它也可以被认为是“阻尼系数”。因为滤波器的阻尼越大,其响应越平坦,同样,滤波器的阻尼越小,其响应越敏锐。

    5、硬件设计

    此处使用Atium Designer软件设计原理图和PCB,该部分硬件源文件均开源,可以直接下载附件。

    5.1、原理图设计:

    由于LM358D不是轨到轨运放,用于1.65偏置电路时无法提供0~3.3V的动态范围,抬升电路部分先择LMV358。此处应当注意两款芯片的电压范围不同。从理论计算可知,修改输入端RC可以改变滤波器的截止频率,修改反馈端电阻会影响滤波器品质因数Q。该部分电路结构相同,仅需修改电路中电阻、电容参数,便可以实现不同的带通效果,另外修改高通和低通的截止频率还可以实现带阻。读者可以直接根据生产文件,打样、测试,在实际的测试中探索其中的奥妙。

    412f07c04c68e9ddffc386b8f1047d84.png

    图 27硬件原理图

    5.2、PCB设计:

    PCB部分根据实际生产的需求制作了两种拼版文件:V-cut和邮票孔,此部分可以直接使用,读者也可以实际动手操作一遍,此处使用到高级粘贴功能,具体操作此处不再赘述没有兴趣的读者可以自行了解,另外在做V-cut拼版时需要注意各家板厂V-cut使用钻头的直径,实际拼板中需要根据V-cut钻头的直径预留两个相邻板间的间距,此处按照默认0.4mm设计。

    5.2.1、3D效果

    ee674e5c2268222e71050f3dba8d2a29.png

    图 28PCBA渲染图

    5.2.2、

    774278ff528955778731fd26d4b06a1e.png

    邮票孔拼版效果图:

    图 29邮票孔拼版图

    5.2.3、V-cut拼版效果图

    c7271c11fa0c82d64a8be19d8ceea2af.png

    图 30V-Cut拼版图

    5.3、实际测试

    前一级AD620放大和滤波运放LM358耐压范围较高,测试时可以使用5V正负电源供电,后一级LMV358默认不与正5V电源相连,读者可以将P2与正5V相连,如果使用大于正负5V的电源供电,此处可以使用另一路5V电源单独供电。

    4bd5ff95353e38f48017569740d20f6b.png

    图 31实物图

    5.3.1、测试结果

    示波器中蓝色为原始输入信号,第一级放大倍数G=20,黄色为滤波并偏置1.65V的信号。注意观察两个通道的刻度不同。

    f=12Hz时:

    066b488602b2cb035d3e369e18f3fc3d.png

    图 32 f=12Hz时的波形对比

    f=20Hz时

    ba9684eedfa721f51b32208e469955bf.png

    图 33 f=20Hz时的波形对比

    f=60Hz时:

    98b3efefec6737ca623c313c75de4a20.png

    图 34 f=60Hz时波形对比图

    注:此部分测试结果可以参见附件视频。

    至此整个论计算、设计、测试过程结束。

    附录

    Matlab 绘制bode图代码

    %有源二阶模拟带通滤波器

    %LPF 传递函数计算 f0=35Hz C = 1uF,R = R=4.549kΩ g1=k3/(s2+k1*s1+k2)

    c1 = 1e-6;

    r1 = 4549;

    %HPF 传递函数计算 f0=15Hz C = 1uF,R = R=4.549kΩ g2=k6*s2/(s2+k4*s1+k5)

    c2 = 1e-6;

    r2 = 10615;

    for q=0.1:0.2:3

    %LPF

    Avp1 = 3-(1/q);

    %R1 = 2*r1*Avp1/(Avp1-1);

    %R2 = 2*r1*Avp1;

    k1 = (3-Avp1)/(c1*r1);

    k2 = 1/(c1*c1*r1*r1);

    k3 = Avp1/(c1*c1*r1*r1);

    num1=[k3]; %传递函数分子

    den1=[1 k1 k2]; %传递函数分母式为:s2+k1s+k2

    G1=tf(num1,den1);

    %HPF

    Avp2 = 3-(1/q);

    %R1 = 2*r2*Avp2/(Avp2-1);

    %R2 = 2*r2*Avp2;

    k4 = (3-Avp2)/(c2*r2);

    k5 = 1/(c2*c2*r2*r2);

    k6 = Avp2;

    num2=[k6 0 0]; %传递函数分子,此处为s2需要特别注意

    den2=[1 k4 k5]; %传递函数分母格,式为:s2+k4s+k5

    G2=tf(num2,den2);

    p=bodeoptions;

    p.FreqUnits='Hz';

    p.Grid= 'on';

    [num,den] = series(num1,den1,num2,den2); %计算串联传递函数,串联传递函数需要相乘

    printsys(num,den) %显示串联后的总传递函数

    hold on;

    bode(num,den,p); %绘制波特图

    % hold on;

    % bode(G1,p);

    % hold on;

    % bode(G2,p);

    End

    legend('0.1','0.3','0.5','0.7','0.9','1.1','1.3','1.5','1.7','1.9','2.1','2.3','2.5','2.7','2.9');

    title('有源二阶模拟带通滤波器相频特性'); %标题

    测试视频:

    48e72883816e6027c6567c8d75641702.png
    https://www.zhihu.com/video/1188012220288667648
    9f57d4e3347454217a1c718b3ef764bc.png
    https://www.zhihu.com/video/1188012458559549440

    af4bf2424169c1454d16a5b33e26f00f.png

    相关附件请到论坛下载:

    二阶有源带通滤波器设计 - dmBot开源硬件分享 - dmBot Techical Forum - Powered by dmBot!​www.dmbot.cn
    展开全文
  • 【摘要】本文论述了应用Ansoft公司的Serenade8.7微波仿真软件设计两种改良型微带交指型带通滤波器与微带耦合线带通滤波器的设计方法,通过实例对这两种微带带通滤波器进行了计算机最优化仿真设计,并给出了优化仿真...
  • LTCC带通滤波器设计

    2022-07-08 11:25:08
    前面13期的文章里和带通滤波器相关的文章有:第1期《如何在ADS中综合耦合矩阵》(耦合矩阵综合实例)(https://www.rfask.net/article-121.html)第2期《如何设计一个带通滤波器》(梳线滤波器实例)...

    由于滤波器综合技术及电磁仿真软件的长足进步,现在的带通滤波器设计都变得相对简单快捷很多。如果了解各型谐振器结构及耦合方式的优缺点,然后配合一些设计技巧,就可以很灵活的设计出各型滤波器。前面13期的文章里和带通滤波器相关的文章有:

    本打算不写滤波器方面的内容了,有下面几个理由促使我再重复一篇滤波器方向的文章。

    • 最近收到很多网友的信息希望写一些LTCC滤波器设计,微带滤波器设计的文章

    • 计划第14期写开关,但经验有限,想表达的内容还不能严谨的解释,文章迟迟出不来

    • 第6期《参数提取法设计带通滤波器》中有不够严谨的地方,需要一篇文章来做说明。

    基于上述原因就决定通过一篇2.4G 200MHz左右的wifi频段使用的LTCC滤波器来把这几个问题一起解决了。我在LTCC上经验也不是很多,只能根据我对滤波器的基础理论理解,结合LTCC工艺特点设计仿真一个理想的LTCC滤波器,有不合理的地方欢迎探讨。

    细心的朋友可以看到这几篇关于各型带通滤波器的文章就只有一个步骤。

    • ADS或Excel计算各耦合系数需要的群时延

    • 输入群时延判断输入耦合尺寸及谐振器尺寸

    • 双腔群时延判断级间耦合系数

    • 整体电磁仿真,曲线拟合判断优化方向,最终设计出滤波器。

    1. &nbsp;2.4G BW=200MHz 4阶LTCC滤波器设计

    同嘉兴佳利电子的师兄探讨知道国内研究所通常用的LTCC材料为dupon951(介电常数7.8),ferro A6M(介电常数5.9)。但成本很高,一般民营公司会采用自有粉料。这篇文章采用嘉兴佳利电子介电常数为10的自有粉料进行设计。

    1)计算各耦合系数需要的群时延

    通过ADS或excel小工具(有人反馈链接失效,这里重新发一遍)计算该滤波器所需要的各级耦合系数群时延特性见图 1所示。

    8f631f10cb4002e5ccba4935ea9f4228.jpeg

    图1 滤波器设计的理想参数计算

    2)谐振器尺寸及输入输出耦合确定

    如果想给出稍微准确的初值可通过传输线理论大概估计初始尺寸,这里通过直接建模仿真获取谐振器尺寸及输入输出耦合。在sonnet中建立图 2所示的模型,该模型用多层交错平板实现电容,用多层绕线实现电感,通过在电感上的抽头实现输入耦合。模型中结构初始参数根据工艺条件和经验任意给定。

    32cc39277400c2530a9da38d32c2c1c5.jpeg

    图 2&nbsp; LTCC谐振器模型

    通过一次建模,仿真发现频率偏低,这时需要根据经验缩小电感或电容将频率调高至合适的位置。经过几次迭代或者扫描可以比较容易设计出准确的谐振器尺寸和抽头位置。

    最终经过迭代设计出的抽头位置和谐振器结构见图 2,迭代过程中通过输入时延可以准确判断谐振频率和耦合量,剩下的就是凭理论基础或经验对结构进行针对性调整了。

    612eb960ad3dd5ffe5de0c8483ad9848.jpeg

    图 3 准确的谐振器、抽头结构以及仿真结果

    3)级间耦合尺寸设计

    复制谐振器1,摆放至相应的位置,由于是集总的LC谐振器,级间耦合可以通过电感或电容进行耦合。这里通过电容进行耦合,建立图 4所示的电容耦合双谐振器模型,通过经验大概调整至所需要的双谐振器群时延值。

    0bae8186c0c036ebc77e45aa96f1c919.jpeg

    图 4&nbsp;双谐振器群时延仿真

    4)整体模型初步仿真

    由于要设计4阶滤波器,这里进行双谐振器仿真后便可通过对称画出完整的滤波器模型,对称后加上23谐振器的电容耦合(在没有交叉耦合情况下,级间耦合顺序减小,又关于中间级对称),模型见图 5所示,初步仿真见图 5所示。可以看见初步仿真结果并不理想,需要对滤波器进行优化调整。

    3cb0296d5286b98053bce8bf3a947aa2.jpeg

    图 5 总体模型及第一次仿真结果

    5)数提取法优化滤波器

    在第6期《参数提取法设计带通滤波器》设计带通滤波器中对参数提取的应用有详细的介绍,但第6期的文章中未考虑接头的相位加载(phase load),关于相位加载可参考文章《An Analytical Approach to Computer-Aided Diagnosis and Tuning of Lossy Microwave Coupled Resonator Filters》,提取参数时具有一定的局限性,去除相位加载也是这一篇特别说明的地方。

    文章中去除相位加载的核心是让理想耦合矩阵模型同仿真或测量的S2P文件中滤波器带外远端的回波群时延和传输相位相等来确定相位加载量。

    在ADS中建立图 6所示的参数提取模型,通过调谐控件,将耦合矩阵模型和S2P的结果曲线尽量重合,给出合理的初值。通过调谐控件让耦合矩阵响应和S2P文件在1.5G到2G的回波时延和传输相位相等(或相位相差90度,根据S11和S33实部虚部的重合度判断取90度还是0度)调谐完成后结果见图 7所示。通过ADS优化控件进行耦合矩阵提取,曲线拟合的对比结果见图 8所示,可以发现曲线拟合的重合度非常好。这时通过将提取出的耦合矩阵和理想耦合矩阵相比较便可得到滤波器模型的调整方向。

    7005c88abcf9442af20dcae44f9f498f.jpeg

    图 6 参数提取的ADS模型

    a06e9ceeb1e4b240c9a87e64d10f0a74.jpeg

    图 7 去除相位加载示意图

    0be035cb8b16f631d6602d8784ff2417.jpeg

    图 8 去除相位加载后曲线拟合结果对比

    经过一次提取,提取结果见表格 1,可以发现谐振器2和谐振器3频率均偏低,同时23间耦合偏小。先减小2、3谐振器的电感(电容耦合,更改电容容易引起耦合改变),使这两个谐振器频率升高。

    减小电感后通过第二次提取,结果见表格 2,发现调整量过大。取第一次调整电感量的中间值再进行一次调整。调整结果见图 9所示,可以发现滤波器整体结果在收敛,继续进行多次参数提取和优化便可以得到理想的响应曲线了,这里不做过多说明,可自行感受。

    表格 1 第一次提取结果

    356d6e220b330c1b0cc0382d11a06462.jpeg

    表格 2 第二次提取结果

    ed25936417327fa9e093b9ca752d6178.jpeg

    ce562834746071810b95527dfad2ac0b.jpeg

    图 9 第2次调整后的结果

    表格 3 第三次提取结果

    a6d87d30ef31454003f355ff1aa80feb.jpeg

    作者:赵强

    如需获取设计方法文档&仿真源文件可点击此链接https://mp.mwrf.net/down/lists/8.shtml

    来源:https://www.rfask.net/article-120.html

    关于RFASK射频问问

    射频问问 (RFASK.NET) 是在"微波射频网 (MWRF.NET)”系列原创技术专栏基础上升级打造的技术问答学习平台,主要围绕射频芯片、微波电路、天线、雷达、卫星等相关技术领域,致力于为无线通信、微波射频、天线、雷达等行业的工程师,提供优质、原创的技术问答、专栏文章、射频课程等学习内容。更多请访问:www.rfask.net

    展开全文
  • 分享一篇科普文了解一下电阻—电容(RC)低通滤波器是什么,以及在何处使用它们能让你更好的掌握高端电路设计实战。本文将介绍滤波的概念,并详细说明电阻—电容(RC)低通滤波器的用途和特性。时域和频域当您在示波器上...
  • 假设需要处理一个20mV的正弦信号,该信号的频率范围是15~35Hz,经过处理后幅值不超过3.3V,且需要经过带通滤波器滤除杂波。2、滤波器定义滤波电路又称为滤波器,是一种选频电路,能够使特定频率范围的信号通过,...
  • 假设需要处理一个20mV的正弦信号,该信号的频率范围是15~35Hz,经过处理后幅值不超过3.3V,且需要经过带通滤波器滤除杂波。 2、滤波器定义 滤波电路又称为滤波器,是一种选频电路,能够使特定频...
  • 有源带通滤波器设计

    2013-05-26 20:13:48
    二阶有源模拟带通滤波器设计 滤波器是一种具有频率选择功能的电路,它能使有用的频率信号通过。而同时抑制(或衰减)不需要传送频率范围内的信号。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等,目前在通讯...
  • 本文介绍了基于无限增益多路反馈型二阶有源带通滤波器的设计方法、参数计算过程,并通过Multisim仿真进行了仿真,其截止频率与设计要求基本一致。
  • 滤波器有四个基本原型,低通、带通、带阻、高通。实现滤波器就是实现相应的谐振系统。纪总参数就是电感、电容,分布参数就是各种射频/微波传输线形成的谐振器。理论上,滤波器是无耗元件。滤波器的指标工作频率。...
  • 文章介绍了一种利用慢波周期结构加载改进型开环发夹谐振器的微带带通滤波器,该谐振器利用耦合线内弯的结构,使得在不改变电路性能的情况下,减小了电路尺寸;同时由于电路应用的慢波周期结构出现了带阻效应,因此对...
  • 基于MATLAB的FIR带通滤波器的设计与仿真 摘要利用数字信号处理理论与方法基于MATLAB语言通过实例设计FIR数字带通滤波器给出了MATLAB完整程序实例仿真结果表明该带通滤波器的滤波效果达到了预期目的 关键词数字滤波器...
  • 带通滤波器 (13) 滞通滤波 %吏用注意事项通带或阻带的截止频率与采样率的选取范围是不能超过采样率的一半 %即f131,的值小于2 :需要带通滤波的序列 % f 1 :通带左边界 % f 3 :通带右边界 % 1:衰减截止左边界 % :衰变...
  • 因为课设的缘故,开始学习HFSS软件的使用。 HFSS的仿真步骤很简单,大致为: 1.建立模型 2.设置激励源 3.设置扫描 4.查看结果 5.优化 此次介绍微波滤波器的基本设计流程,想要我帮忙设计滤波器或者天线也可以通过QQ...
  • 本文中,将为大家讲解LC滤波器原理,并附带LC滤波电路实例。希望通过本文,大家能对LC滤波器原理有更深的理解。LC滤波器原理很简单,它就是利用电容同高频阻低频,电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用...
  • 1.带通滤波器function y=bandp(x,f1,f3,fsl,fsh,rp,rs,Fs)%带通滤波%使用注意事项:通带或阻带的截止频率与采样率的选取范围是不能超过采样率的一半%即,f1,f3,fs1,fsh,的值小于 Fs/2%x:需要带通滤波的序列% f 1:...
  • 1引言随着计算机和信息科学的极大发展,信号处理已经逐步发展成为一门独立...而数字滤波器作为信号处理一项关键技术是数字信号处理的重要基础,在对信号的过滤、检测、与参数估算等处理过程中,它是使用最为广泛的一种...
  • 低通、高通、带通、带阻、状态可调滤波器【3】

    万次阅读 多人点赞 2017-11-02 12:08:45
    带通滤波器(BPF)的特征是通带内输出信号幅度与频率无关,而当f或f>fp2时输出信号很快衰减。 二阶带通滤波器;高 Q值二阶带通滤波器;由双运放构成的高 Q值 BPF;二阶压控带通滤波器。 在高通、带通滤波器中,不要求...
  • 您可以跳过使用buttord,而只是选择过滤器的...这里是一个脚本,定义了一些方便的功能,使用一个巴特沃斯带通滤波器。当作为脚本运行时,它做出两个图。一个示出了对于相同采样率和截止频率的若干滤波器阶的频率响...
  • 例1 设计低通滤波器由于计算机采样频率可以高达为44100Hz,语音的最高频率为20000 H以上,是一种极宽带的语音,实际上有一部分频率为超声波,人耳几乎感觉不到。设计滤波器,对该语音进行低通滤波,保留8000 Hz以内...
  • 本文的工作如下: ...介绍傅里叶带通滤波器实现图像滤波的原理 三.通过代码实例进一步加深理解 1. 从“几何”的角度来看待傅里叶级数 我们都知道周期函数傅里叶级数公式(复数形式),如下所示: ...
  • 假设需要处理一个20mV的正弦信号,该信号的频率范围是15~35Hz,经过处理后幅值不超过3.3V,且需要经过带通滤波器滤除杂波。2、滤波器定义滤波电路又称为滤波器,是一种选频电路,能够使特定频率范围的信号通过,...
  • 图像滤波是在尽可能保留图像细节特征的条件下对目标图像的噪声进行抑制,是常用的...空间域和频率域线性滤波器可以分为四类:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器,后三类滤波器都可以由低通滤波器构造:
  • 第36章 FIR滤波器的Matlab设计(含低通,高通,带通和带阻) 本章节讲解FIR滤波器的Matlab设计。主要是函数fir1和fir2的使用。 目录 36.1 窗函数 36.2 fir1函数 36.2.1 fir1函数介绍 36.2.2 fir1设计低通滤波器...
  • 假设需要处理一个20mV的正弦信号,该信号的频率范围是15~35Hz,经过处理后幅值不超过3.3V,且需要经过带通滤波器滤除杂波。2、滤波器定义滤波电路又称为滤波器,是一种选频电路,能够使特定频率范围的信号通过,...
  • 1 首先,无限增益多路反馈有源滤波器与Butterworth,chebyshev,bessel,ellipse等不属于同一范畴的概念,无限增益多路反馈只是有源滤波器总多拓扑结构中一种,其他还有Sallen-key、状态变量滤波器、双二阶滤波器等...
  • 要模拟通信在通信系统中的使用非常广泛,而MATLAB(Simulink)是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,它可以解决包括信号和图像处理、通讯等众多应用领域中的问题。...
  • 本章节讲解IIR滤波器的Matlab设计,主要包括巴特沃斯滤波器,切比雪夫I型和II型滤波器以及椭圆滤波器。 目录 43.1 巴特沃斯滤波器的设计 43.1.1 butter函数 43.1.2 buttord函数 43.1.3 巴特沃斯低通滤波器设计 ...
  • @[TOC] 关于本文滤波器具体原理可参考课程设计:...# 实例1 数字高通巴特沃斯滤波器设计 注:如果freqz_m函数报错,是由于您的Matlab版本过高,可将文章附录freqz_m.m文件复制到运行目录即可 要求:抽样.

空空如也

空空如也

1 2 3 4 5 ... 20
收藏数 801
精华内容 320
热门标签
关键字:

带通滤波器应用实例