二阶带通滤波器的设计.docx

1、目录前言第一章 二阶带通滤波器的设计要求.41.1简介.41.2设计任务及要求4第二章 系统组成及工作原理.42.1 二阶有源低通滤波器.42.2二阶有源高通滤波器.72.3设计方案.82.3 元件参数选取.92.4二阶带通滤波器设计元件清单.10第三章 二阶带通滤波器的仿真.103.1 二阶有源带通滤波器仿真电路图103.2仿真结果及分析.113.3设计总结及心得.13参考文献前言近几年，随着冶金、化工、纺织机构等工业使用的各种非线性用电设备，而产生的大量的高次谐波，已导致电网上网正常波形发生严重畸变，影响到供电系统的电能质量和用户用电设备的安全经济运行。随着生产技术方式的变化，生产力确实得

2、到较大提高，可同时也受到方方面面的限制。如当人们做出了具体的制度设计需要付诸实践进行试验，试验过程中不可避免地会受到一些偶然随即因素的干扰，为评价新方案的效果，需排除这些随即因素的影响，即，需要一个滤波器。经滤波以后，对新方案的效果进行检验。说到滤波器，可分为两种：有源和无源。有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就

3、不会流入系统。无源滤波的优点为运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80，对基波的无功补偿也是一定的。我们通过自身的所学知识设计了这个二阶低通滤波器，并尽可能的调试，希望能得到较好的滤波效果。第一章 二阶带通滤波器的设计要求1.1简介 带通滤波器是指能通过某一频率范围的频率分量、但将其他 范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路。这些滤波器可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。1.2设计任务及要求由 高通滤波电路，匹配网络，低通滤波电路及其他辅助电路组成。要求电路实现信号有各种频率到频率只剩下300Hz到3

4、400Hz的变换。还要求具有一定的放大能力！1） 增益AV=2.5;2） 品质因数=0.707；3） 设计选取合适的元件参数；4）输出的信号频率范围300Hz3400Hz第二章 系统组成及工作原理2.1 有源低通滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路如图。由此可见，它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。图2.1二阶有源低通滤波电路同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，及A0=1+(AVF-1)R1/R12.传递函数考虑到集成运放的同相输入端电压为 （2.1）而VP(s)与VA(s)的关系为 （2.2）对于节点A，应用KCL

5、可得 （2.3）将式（2.1）（2.3）联立求解，可得电路的传递函数为(2.4)-令 （2.5） （2.6）则有（2.7）式（2.7）为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。其中c=1/(RC)为特征角频率，也是3dB截止角频率，而Q则称为等效品质因数。式（2.4）表明，A0=AF3时,电路将自激振荡。3.幅频响应用s=j代入式（2.7），可得幅频响应和相频响应表达式，分别为（2.8） （2.9）式（2.8）表明，当=0时，|A(j)|=AF=A0：而当时，|A(j)| 0。这是低通滤波器的电路特性。由式（2.8）可画出不同Q值下的幅频响应，如图2.2所示。由图可见，当Q=0.707时，幅频响

6、应较平坦。图2.2 图2.1所示二阶低通滤波电路的幅频响应2.2有源高通滤波电路1.二阶高通滤波电路由2.1讨论已知，如果将图2.1所示二阶有源低通滤波电路中R和C的位置互换，就可得到RC高通滤波电路。图2.3 二阶有源高通滤波电路由于二阶高通滤波电路与二阶低通滤波电路在结构上存在对称关系，它们的传递函数和幅频响应也存在对偶关系。由图2.3可导出其传递函数为 （2.10）式中 （2.11） （2.12）（2.13）式（2.13）表明，当0时，|A(j)| 0：而当时，|A(j)| A0。这是高通滤波器的电路特性。而当=c时，|A(j)|= A0/2, c是3dB截止角频率，因此在c时，传递函数

7、以n20dB/十倍频程上升。显然，这是高通滤波电路的特性。2.3设计方案根据要求设计一个带通频率范围为300Hz3.4kHz的带通滤波电路，由2.1和2.2节我们选择一个二阶低通滤波电路的截止频率为fH=3.4kHz,一个高通滤波电路的截止频率fL=300Hz,有源器件采用LM324，将两个滤波电路串联就可得到低通滤波电路。图2.4 带通滤波器整体示意图图2.5 二阶带通有源滤波器原理图2.3 元件参数选取根据fH=3.4kHz,fL=300Hz，选取C1=C2=0.062uF和C3=C4=0.0062uF和式（2.5）得R3=R8=8.56K; R1=R2=7.55K选取标准阻值R1=R2=

8、7.5K; R3=R8=8.66K;令前级和后级的品质因数都为0.707；由式（2.6）可算得放大倍数AVF=1.586;所以两级的放大倍数为1.5861.586=2.5取R5=R7=51K;由AVF=1+R4/R5和AVF=1+R6/R7可求得R4=R6=30K;2.4 二阶带通滤波器设计元件清单序号名称型号备注数量1电阻8.66KR3, R822电阻7.5KR1, R223电阻30KR4, R624电阻51KR5, R725无极电容0.062uFC1, C226无极电容0.0062uFC2, C427运算放大器LM324U1A, U1B2 二阶带通滤波器设计元件清单第三章 二阶带通滤波器的

9、仿真本次设计的电路仿真基于仿真软件ISIS 7 Professional。3.1 二阶有源带通滤波器仿真电路图:。图3.1 二阶有源带通滤波器仿真电路图3.2仿真结果及分析1）：当输入频率为300Hz，幅值为5.42mv时;图3.2 输入频率为300Hz，幅值为5.42mv时，仿真图.从上图看出，输出电压幅值为12.5mv,放大倍数为12.5/5.42=2.3倍，2）：当频率为2KHz，幅值为10mv时; 图3.3 输入频率为2KHz，幅值为10mv时，仿真图。从上图看出，输出电压幅值为25mv,放大倍数为25/10=2.5倍。3）当输入频率为4.1KHz，幅值为20mv时； 图3.4 输入频

10、率为4.1KHz，幅值为20mv时，仿真图 输出电压幅值为28mv,放大倍数为28/20=1.4倍，此时放大明显失真。3.3设计总结及心得这次课程设计中不仅验证了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情。带通滤波器的课程设计，这是我大学的一个课程设计，对于我个人来说，意义重大。通过这次课程设计，我加强了自己掌握和理解书本知识的能力，培养了自己的实际动手能力与综合设计能力，并提高了自己的技术素质。基本达到了了解模电课程设计的任务，明确了运放的基本原则，掌握了ISIS 7 Professional仿真设计的基本方法。加深了自己对电子设计的理解。希望自己在以后的学习生活中不断加强自我学习的能力，努力完善自己。参考文献电子技术基础 模拟部分（第五版）主编 康华光