巴特沃斯有源高通滤波器的设计

昆明理工大学课程设计说明书

课题名称：巴特沃斯有源高通滤波器的设计专业名称：电子信息工程

学生班级：09级电信三班

学生姓名：周剑彪

学生学号：200911513339

指导老师：王庆平

设计时间：2011年6月23日

第一部分：题目分析及设计思路

(一)、滤波器简介

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。

滤波器按照所处理的信号，可以分为：模拟滤波器和数字滤波器；按照信号的频段，可以分为：低通、高通、带通和带阻滤波器四种；按照所采用的原件，也可以分为：无源滤波器和有源滤波器。用来说明滤波器性能的技术指标主要有：中心频率f0，即工作频带的中心；带宽BW；通带衰减，即通带内的最大衰减阻带衰减等。

(二)巴特沃斯滤波器简介

巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬〃巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930 年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。一级至五级巴特沃斯低通滤波器的响应如下图所示：

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。

(三)、巴特沃斯有源高通滤波器优化设计

设计目的

掌握滤波器的基本概念；

掌握滤波器传递函数的描述方法；

掌握巴特沃斯滤波器的设计方法；

设计一个巴特沃斯滤波器，其技术指标为：

（1）阻带截止频率： fc = 1kHz ；

（2）通带放大倍数：Aup =2；

（3）品质因素：Q = 1；

（4）阻带最小衰减率：-25dB。

设计要求：

（1）确定传递函数；

（2）给出电路结构和元件参数；（运算放大器可以选择）

（3）利用PSPICE 软件对电路进行仿真，得到滤波器的幅频响应，是否满足设计指标；

第二部分：电路原理分析及基本电路图

（一）确定传递参数：

二阶高通滤波器的通带增益

截止频率，它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。

品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

（二）给出电路结构：

一般来说，滤波器的技术指标往往是幅频响应特性。所有的技术指标基本上都可以通过滤波器的传递函数计算得到。因此，从一定程度上讲，滤波器的设计就是寻找一个合适的传递函数，使其能够满足所要求的技术指标。选取的电阻的标称值尽量接近计算结果，按图构成二阶高通滤波器或高通滤波节。特别注意的是，增益k为靓电容的比值，所以应该把电容C1和C2的数值选成符合电容标称值的元件，否则就需要在电路中并联微调电容，这将增加调试难度。

在工程设计中，高通、带通和带阻滤波器的设计通常是利用低通滤波器的原型，经过频率变换得到。这样就转变为一个低通滤波器的设计。因此，根据低通原型滤波器的技术指标，确定阶次N，再确定巴特沃斯低通原型的传递函数，再通过频率变换获得一般滤波器的传递函数。

据题意可知为二阶高通有源滤波器，由RC网络，放大器和反馈网络等组成，初步电路图如上所示。

第三部分：电路参数确定

1电阻为参数K=1时的值，单位为K。

2.由表得f=1KHe时，取C=0.01uF；

3.由表可知当Av=2时电容C1=C=0.01uF；K=1时，电阻R1=15K，Rf=15K,R=15.915K 第四本分：电路的功能或性能验证

根据滤波器的基本特性所设计电路基本满足题目要求，基本没有太大的问题。详细电路图及验证结果出现在第五部分。注意问题：所选元件的标称值必须与计算结果非常接近，高阶高通滤波器要求元件比低阶要更精确些，若电路中全部电阻值乘以某一常数，同时全部电容都除以该常数，滤波器性能不会改变，这样可以微选取元件的标称值带来好处。

第五部分：设计成果

EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：

（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；

（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。

（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。

（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。

（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。

设计电路图如下：

电路在EWB仿真软件下工作下的结果截图（波特图）：

二阶高通滤波的幅度特性曲线

二阶高通滤波的相位特性曲线

第六部分：总结与体会

通过这次巴特沃斯滤波器优化设计，了解了滤波器的一些概念、功能和一些基本的类型，对模电知识有了进一步的了解，学习了低通原型滤波器及其传递参数、频率变换、滤波器的设计流程和巴特沃斯滤波器的设计，在对截止频率fc 和滤波器的阶数N求解时，运算由于太复杂。

本次课程设计由于是个人独立选定课题，所以在此过程的开始时基本上所有人都在自己独立思考，同时又由于设计所采用的仿真和制板软件和在此之前基本不是很熟悉，因此本次课程设计的前期多半是在摸索中前进，当然付出中会有收获，本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，当我看到由我自己设计的东西由想法变成实物时，我的心里充满了成功的喜悦感。回想起此次课程设计过程中经历的种种困难，遇到不明白的问题时，与他人讨论，请教老师的过程，所有的努力都指向一个明确的目标----确保课程设计的成功，我真的很感动。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的乐趣，感谢此次课程设计过程中给予我们悉心指导的王庆平和丽芳老师，同时也感谢班级的其他同学，正式由于和他们一起的努力使我成功完成了本次课程设计。

第七部分：参考文献

[1]童诗白、华成英.模拟电子技术基础.4版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，1997.