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  • 可帮助大家进行基础学习,二阶高通滤波器电路原理
  • 二阶带通滤波器电路设计

    千次阅读 多人点赞 2020-05-27 21:42:40
    掌握有源滤波器电路设计基本方法。 掌握电路仿真软件的基本使用方法。 二、实验内容及结果 实验内容 参考查表法或辅助软件法,利用集成运放设计二阶音频滤波器,实现音频信号的消噪。假设输入信号幅度在0.1Vpp...

    一、实验目的

    1. 掌握有源滤波器电路设计基本方法。
    2. 掌握电路仿真软件的基本使用方法。

    二、实验内容及结果

    1. 实验内容
      参考查表法或辅助软件法,利用集成运放设计二阶音频滤波器,实现音频信号的消噪。假设输入信号幅度在0.1Vpp以内,要求通带增益为0dB,3dB截止频率分别为20Hz~20kHz,通道增益要求平坦,电路负载为1kΩ。根据上述要求设计出该电路,并对该电路的幅频特性进行仿真。
      实验具体要求如下:
      (1)设计电路,说明设计原理,电阻、电容选择为系列值,要求截至频率误差在10%以内。
      (2)确定电路中运放的型号,简单说明运放选型的原则。
      (3)利用Multisim电路仿真软件绘制原理图。
      (4)对所设计电路进行幅频特性仿真。给出通道增益、截至频率、过渡带衰减的仿真值。

    2. 实验结果
      (1)在下方列出所设计电路的原理图(Multisim完成,确定电路中所有器件的型号和参数)
      multisim仿真文件链接
      在这里插入图片描述

      图1 所设计电路的原理图

    (2)结合所设计的电路图说明该电路的设计思路和过程,通过计算得到该电路的理论截至频率值,计算误差。
    设计思路:
    需要满足题目要求的通带增益0dB,3dB截至频率20Hz~20kHz,则需要构造二阶带通滤波器。二阶带通滤波器由一个VCVS式二阶低通滤波器和一个VCVS式二阶高通滤波器构成,二阶低通滤波器确定上限3dB截止频率为20kHz,二阶高通滤波器决定下限3dB截止频率为20Hz。
    设计过程:
    由查表法可以分别确定出低通滤波器和高通滤波器的各元器件值如下图:
    二阶低通滤波器查表:在这里插入图片描述
    二阶高通滤波器查表:在这里插入图片描述
    由表中得到R1=1.422KΩ,R2=5.399KΩ,C=6500pF,C1=1588pF;C2=5uF,C3=5uF,R3=2.251KΩ,R4=1.125KΩ,负载R5=1KΩ
    计算过程:
    理论低通与高通滤波器通带增益均为:Ap=1+0=1
    理论低通滤波器上限截止频率:fc=1/(2πR2C1) ≈ 18572.8Hz=18.5728kHz
    理论高通滤波器下限截止频率:fc=1/(2πR4C3) ≈ 20.2Hz
    但真实仿真结果如下
    低频:19.716Hz
    在这里插入图片描述

    高频:20.288Hz
    在这里插入图片描述

    计算得出下限截止频率误差≈2.39%,上限截止频率误差≈8.45%,误差都在10%以内,满足要求

    (3)对所设计电路进行输入输出仿真,给出输入幅度为0.1Vpp,频率分别为20Hz、20kHz时的输出波形图,并记录输出幅度。

    20Hz时:
    在这里插入图片描述

    20KHz时:
    在这里插入图片描述

    图2 输出波形图仿真图

    (4)对所设计电路进行幅频特性仿真,给出幅频特性仿真图,记录3dB截至频率和两过渡带的衰减。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    图3 幅频特性仿真图

    三、实验思考题
    1、为什么设计出滤波器的截至频率会产生误差?
    答:
    1、电器元件间的误差导致。
    2、由于仪器、实验条件、环境等因素的限制,测量不可能无限精确,测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异。
    3、电路设计仍有可以改进的地方只不过没找到。

    2、总结设计宽带带通滤波器的方法。
    答:
    带通滤波器可以由一个低通滤波器和一个高通滤波器构成,而带宽的确定可以使用查表法决定电路中各个元器件的值,再连接完电路后进行仿真,根据仿真结果对电路中元器件值再进行一些适当的调整,可最终设计出一个性能比较好的带通滤波器。

    展开全文
  • 带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过,而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。
  • 使用二阶高通有源滤波器.exe软件过程中,先在编辑框中输入电阻R1、Rf、R、C的值。电阻、电容的数量级可以分别通过下拉列表框进行选择。R1、Rf、R、C如图二阶高通有源滤波器电路图.bmp所示,谢谢使用!
  • 二阶有源滤波器设计

    万次阅读 多人点赞 2018-10-31 17:21:31
    我们根据上得到二阶无源低通滤波器的品质因子只有0.372,如果希望Q大于0.5,就需要在ω=ωo附近增大幅度响应。 实现这个目的的一种方法就是增加一个可控的正反馈控制量,这种反馈仅仅在ω=ωo附近奏效,参见下...

    1引入

    为什么要用有源二阶滤波器?

    (1)从有源来说

    对于无源二阶低通滤波器:

    其幅頻方程为:

    我们从中可以看出其通带截止频率为

    有其品质因子为0.372。

    我们根据上图得到二阶无源低通滤波器的品质因子只有0.372,如果希望Q大于0.5,就需要在ω=ωo附近增大幅度响应。

    实现这个目的的一种方法就是增加一个可控的正反馈控制量,这种反馈仅仅在ω=ωo附近奏效,参见下图:

    对于ω/ωo<<1,C1的阻抗太大而无法反馈太多信号

    对于ω/ωo>>1,C2产生的短路使得uo太小而无法起作用;

    对于ω/ωo=1附近存在正反馈,可以通过改变Aup来进行调整,以获得要求的峰值。

    (2)从二阶来说

    我们可以看一下有源二阶滤波器和一阶有源低通滤波器的对数幅频响应特性图:

    我们理想的特性是:当时输入信号频率大于通带截止频率时,放大倍数立刻降为0。但是,实际情况很难达到这样的情况。上图中的红线是一阶低通有源滤波电路,蓝线是二阶低通有源滤波电路。可以明显看到,二阶的更加接近理想特性曲线。在截止区,放大倍数下降的更快一些。

    2介绍

    任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。

    二阶有源滤波器主要分为两种:

    压控电源型(VCVS)——同相输入,输入阻抗很高,输出阻抗很低,滤波器相当于一个电压源,故称电压控制电压源电路。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。

    无限增益多路反馈型(MFB)——运放为反相输入,输出端通过C2R3形成两条反馈支路。其优点是电路有倒相作用,使用元件较少,但增益调节对其性能参数会有影响,故应用范围比VCVS电路要小。

     

    3、设计方法

    (1)品质因子Q的选择

    • Q=0.707,构成巴特沃思滤波器(常用) 
    • Q=1/√3=0.577 ,构成贝塞尔滤波器。
    • Q=1,切比雪夫滤波器。

    (2)元器件的选择

    在滤波器设计时,通常给定的设计指标:     截止频率fo、通带内增益Aup及滤波器品质因数Q(二阶通常取0.707)。仅有fo、Aup、Q这三个值求电路中所有的的RC值是相当困难的。比如我们要设计一个二阶压控低通滤波器,则有以下方程:

    需先确定一个或几个元件值,再解方程,这是很繁琐的工作,为设计方法,引入查表法,实现快速设计。

    4、例

    (1)二阶有源压控低通滤波器

    Q=0.707

    Aup=1,R1=R2=R

    C1=2QC,C2=C/2Q

    CC:0.001µ~0.1µ

    RC=R1+R2

    RcCc防止振荡

    巴特沃斯低通滤波器可用如下振幅的平方对频率的公式表示:

    e是常数参数

    2步骤

     

    (1)分析通带截止频率和阻带起始频率

    截止频率是指一个系统的输出信号能量开始大幅下降(在带阻滤波器中为大幅上升)的边界频率。

    理想滤波器矩形系数是1,但是实际上是达不到的,所以就会存在一个过度频带。所以也就存在了通带截止频率和阻带起止频率。什么是通带截止频率和阻带截止频率

    (2)分析通带最大衰减和阻带最小衰减

     

    )计算巴特沃斯数字滤波器的阶数N和3dB截止频率wc。 

     

     

     

    参考文献:

    https://wenku.baidu.com/view/61ce6b2cb8f67c1cfad6b8ef.html

    展开全文
  • 一阶高通滤波器 一阶高通滤波器包含一个RC电路,将一阶低通滤波器的R与C对换位置,即可构成一阶高通滤波器。如所示为一阶高通滤波器。... 为了改进一阶高通滤波器的频率特性,可采用二阶高通滤波器
  • 二阶有源滤波器

    千次阅读 2016-11-08 17:24:26
    滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置, 在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛...高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。采用集成运放构成的RC 有源滤

    滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置, 在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波和无源滤波, 有源滤波可以使幅频特性比较陡峭, 而无源滤波设计简单易行, 但幅频特性不如滤波器, 而且体积较大。从滤波器阶数可分为一阶和高阶, 阶数越高, 幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。采用集成运放构成的RC 有源滤波器具有输入阻抗高,输出阻抗低, 可提供一定增益, 截止频率可调等特点 。压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种, 适合作为多级放大器的级联。本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路, 采用E仿真软件Mu ltisim10对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试, 从而实现电路的优化设计。

    1.设计分析

     二阶有源低通滤波器典型结构如下图所示:

    其中, Y1 ~ Y5 为导纳, 考虑到Up = UN , 根据KCL 可得到如下:

    Auf = 1+ RF /R 6。只要适当选择Yi, 就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。设Y1 = 1 /R 1, Y2 = sC1, Y3 = 0, Y4 = 1 /R 2, Y5 =
    sC2, 将其代入式( 1)中, 得到压控电压源型二阶有源低通滤波器的传递函数为:

    这是二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中, Xn 为特征角频率, Q 称为等效品质因数。

    2.动手设计一款带宽在340HZ的有源滤波器,电容10nf,放大倍数2.

    为设计方便选取R1 = R2 = R, C1 = C2 = C, 则通带截止频率为f 0 = fn =1/2πrc,c=10nf.推出R=47Kohm

    电路如下所示:

    波形如下所示,100hz正弦波:

    展开全文
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    带通滤波器电路图设计(一)

    传统的带通滤波器设计方法中涉及了很多复杂的理论分析和计算。针对上述缺点,介绍一种使用EDA软件进行带通滤波器的设计方案,详细阐述了使用FilterPro软件进行有源带通滤波器电路的设计步骤,然后给出了在Proteus中对所设计的滤波器进行仿真分析和测试的方法。测试结果表明,使用该方法设计的带通滤波器具有性能稳定。设计难度小等优点,也为滤波器的设计提供了一个新的思路。

    带通滤波器是一种仅允许特定频率通过,同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性,故而被广泛地应用现在电子设计中。但是,带通滤波器的种类繁多,各个类型的设计差异也很大,这就导致了在传统滤波器的设计方法中不可避免地要进行大量的理论计算与分析,不但损失了宝贵的时间,同时也提升了电路的设计门槛。为了解决上述弊端,本文介绍了一种使用FilterPro和Proteus相结合的有源带通滤波器的设计方案,随着EDA技术的不断发展,这种方法的优势也将越来越明显。

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    图1  使用理想运放的带通滤波器

    电路原理图如图1所示。然后可在Proteus中搭建电路进行仿真分析,前面已经提到,FilterPro生成的滤波器中的运放使用的理想运放模型,所以仿真时需要先用理想运放进行分析,然后再进行替换。

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    图2  实际搭建的滤波器电路

    设计中运放选择TI产品典型的通用双放LM358,LM358里面包括两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放,适用于电压范围很宽的单电源,而且也适用于双电源工作方式,特点方面具有低输入偏置电流、低输入失调电压和失调电流,它的共模输入电压范围较宽,差模输入电压范围等于电源电压范围,单电源供电电压3-32V,双电源供电±1.5-±16V,单位增益带宽为1MHz,适用于一般的带通滤波器的设计,同时具有低功耗的功能,对于设计阶数相对高一些的带通滤波器的话,可以选用TI的四运放LM324,其性能与LM358大体相同,应用起来节省空间。对于运放的要求此设计不是特别高,只要运放的频率满足低通的截止频率即可,如果精确度要求高的话那么首先运放的供电电压要足够稳定,或者选择精密运放,如TLC274A,否则通用的即可,例如推荐TI的LM224四运放。

    巴特沃斯带通滤波器幅频响应在通带中具有最平幅度特性,但是从通带到阻带衰减较慢,如果对于过渡带要求稍高,可以增加阶数来实现,否则改选用切比雪夫滤波电路。

    下面讨论设计两种带通滤波器,其一为二阶低通滤波器和二阶高通滤波器组成的四阶带通滤波器,如下图:

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    图 3  四阶带通滤波器

     

    参数选择与计算:

    对于低通滤波器的设计,电容一般选取1000pF,对于高通滤波器的设计,电容一般选取0.1uF,然后根据公式R=1/2Πfc计算得出与电容相组合的电阻值,即得到此图中R2、R6和R7,为了消除运放的失调电流造成的误差,尽量是运放同相输入端与反向输入端对地的直流电阻基本相等,同时巴特沃斯滤波器阶数与增益有一定的关系(见表1),根据这两个条件可以列出两个等式:30=R4*R5/(R4+R5),R5=R4(A-1),36=R8*R9/(R8+R9),R8=R9(A-1)由此可以解出R4、R5、R8、R9,原则是根据现实情况稍调整电阻值保持在一定限度内即可,不要相差太大,注意频率不要超过运放的标定频率。

    表1巴特沃斯低通、高通电路阶数与增益的关系

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    其二是二阶有源带通滤波器,只用一个放大区间,如下图:

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    图4  二阶带通滤波器

    带通滤波器电路图设计(二)

    由图(1)所示带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较,不难发现低通与高通滤波电路相串联如图(2),可以构成带通滤波电路,条件是低通滤波电路的截止角频率WH大于高通电路的截止角频率WL,两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    这是一个通带频率范围为100HZ-10KHZ的带通滤波电路,在通带内我们设计为单位增益。根据题意,在频率低端f=10HZ时,幅频响应至少衰减26dB。在频率高端f=100KHZ时,幅频响应要求衰减不小于16dB。因此可以选择一个二阶高通滤波电路的截止频率fH=10KHZ,一个二阶低通滤波电路的fL=100HZ,有源器件仍选择运放LF142,将这两个滤波电路串联如图所示,就构成了所要求的带通滤波电路。

     

    由巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益的关系知Avf1=1.586,因此,由两级串联的带通滤波电路的通带电压增益(Avf1)2=(1.586)2=2.515,由于所需要的通带增益为0dB,因此在低通滤波器输入部分加了一个由电阻R1、R2组成的分压器。

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    元件参数的选择和计算

    在选用元件时,应当考虑元件参数误差对传递函数带来的影响。现规定选择电阻值的容差为1%,电容值的容差为5%。由于每一电路包含若干电阻器和两个电容器,预计实际截止频率可能存在较大的误差(也许是+10%)。为确保在100Hz和10kHz处的衰减不大于3dB.现以额定截止频率90Hz和1kHz进行设计。

    前已指出,在运放电路中的电阻不宜选择过大或较小。一般为几千欧至几十千欧较合适。因此,选择低通级电路的电容值为1000pF,高通级电路的电容值为0.1μF,然后由式RCWC1可计算出精确的电阻值。

    对于低通级由于已知c=1000pF和fh=11kHz,由式RCWC1算得R3=14.47kΩ,先选择标准电阻值R3=14.0kΩ。对于高通级可做同样的计算。由于已知C=0.1μF和fL=90Hz,可求出R7=R8≈18kΩ。

    考虑到已知Avf1=1.586,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,现选择R5=68k,R10=82k,由此可算出R4=(Avf1-1)R5≈39.8k,R9=(Avf1-1)R10≈48k,其容差为1%。

    设计完成的电路如图所示。信号源vI通过R1和R2进行衰减,它的戴维宁电阻是R1和R2的并联值,这个电阻应当等于低通级电阻R3(=14k)。因此,有

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    由于整个滤波电路通带增益是电压分压器比值和滤波器部分增益的乘积,且应等于单位增益,

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    联解式和,并选择容差为1%的额定电阻值,得R1=35.7kΩ和R2=23.2kΩ。

    带通滤波器电路图设计(三)

    实用的带通滤波器电路原理图

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

    该电路在负反馈支路上是一个带阻滤波齐器,以使其只允许通过被反馈支路阻断的频率信号。

    带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)

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空空如也

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二阶高通滤波器电路图