基于WEBENCH的巴特沃斯低通滤波器的设计
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摘 要:提出一种基于 WEBENCH 软件的巴特沃斯低通滤 波 器 的 设 计 方 法。分 析 了 巴 特 沃 斯 低 通 滤 波 器 的 理 论特性,选择压控电压源二阶滤波电路设计。通过 TI的 WEBENCH 软件对巴特沃斯低通滤波器的设计进 行 了 仿真,确定滤波器的运算放大器和外围元件参数。通过分 析 滤 波 器 闭 环 频 率 响 应 曲 线 和 阶 跃 响 应 曲 线 ,验 证 了 设计方案的正确性。研究表明,利用 WEBENCH 软件可以快速高效地完成滤波器的设计,该方法对实 际 滤 波 器 的设计具有一定的参考价值。 关 键 词 :巴 特 沃 斯 ;低 通 滤 波 器 ;WEBENCH;仿 真 中 图 分 类 号 :TN713+ .4 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672-755X(2014)04-0029-05
The Design of Butterworth Low-pass Filter Based on WEBENCH
XU Zhi-guo,YANG Juan (Jingling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)
Abstract:A design of the Butterworth low-pass filter is proposed based on WEBENCH software.The paper explores theoretical characteristics of Butterworth low-pass filter,and the design of the two-order filter circuit with voltage-controlled voltage source.The design of Butterworth low-pass filter has been simulated through TI WEBENCH software so that the operational amplifier and peripheral components parameter of the filter are determined.The validity of the design scheme is verified through the analysis of frequency response and step response of filter closed loop.Research shows that it can complete the filter design rapidly and effectively by using WEBENCH software,and it has some referential values for the de- sign of the actual filter. Key words:Butterworth;low-pass filter;WEBENCH;simulation
30
金 陵 科 技 学 院 学 报
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第 30 卷
参数,TI的 WEBENCH 就会帮助寻找到正确的 TI运算放大器,对外围电路中繁多的 R、C 值做出正确的 选择,WEBENCH 允许深度调节各种滤波器变量,优化滤波器,并具有 SPICE 模拟仿真功能。
1 Butterworth低通滤波器的特性
巴特沃斯滤波电路又叫最平幅度滤波电路,该滤波电路的特点是:在小于ωc (截止频率)的 范 围 内,幅 频响应具有最平幅度;在ω >ωc 后,幅频响应曲线下降较快 。 [4] 对于低通滤波电路来说,3dB 截止角频率 ωc =ωH =ωn 。
巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为
写成
Au(jω) =
Auo
, n =1,2,3,...
槡 ( ) 1+
ω ωc
2n
(1)
槡 ( ) Au(jω) Auo
=
1
1+
ω ωc
2n
(2)
其中 Auo为 通 带 内 的 电 压 放 大 倍 数,ωC 为 截 止 角 频 率,n 称 为 滤 波 器 的 阶。 从 (2)式 中 可 知,当 ω=0
Table 1 The denominator polynomial of the normalized filter transfer function
n
归一化的 Butterworth低通滤波器传递函数的分母多项式
1
SL +1
2
S2L = 槡2 SL +1
3
(S2L +SL +1)·(SL +1)
WEBENCH 是 TI公司的一款软件,它为滤波器的设计提供了最大的方便性和灵活性,可以快速地进 行低通、高通、带通或者带阻滤波器的设计。WEBENCH 在生成有源滤波器时,输入想要得到的滤波 器的
收 稿 日 期 :2014-11-15 基 金 项 目 :国 家 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (61302167) 作 者 简 介 :徐 志 国 (1977- ),男 ,江 苏 涟 水 人 ,讲 师/工 程 师 ,硕 士 ,主 要 从 事 电 子 技 术 及 智 能 仪 器 研 究 。
时,(2)式有最大值1;ω=ωC时,(2)式等于0.707,即 Au衰 减 了n=23dB;n 取 得 越 大,随 着ω 的 增 加,滤
波 器n=8 的 输 出 电 压 衰 减 越 快 ,滤 波 器 的 幅 频 特 性 越 接 近 于 理 想 特 性 。
当 ω> >ωC 时 ,
( ) Au(jω) Auo
几 乎 在 所 有 模 拟 电 子 电 路 中 都 能 看 到 有 源 滤 波 器 ,它 们 无 处 不 在 。 音 频 系 统 使 用 滤 波 器 进 行 频 带 限 制 和 平 衡 ,通 信 系 统 中 采 用 滤 波 器 调 谐 特 定 频 率 并 消 除 其 它 频 率 ,在 数 据 采 集 系 统 有 抗 混 叠 滤 波 器 ,抗 混 叠 滤 波 器 实 际 上 是 一 种 低 通 滤 波 器[1]。 常 用 的 滤 波 器 频 率 响 应 类 型 有 巴 特 沃 斯 (Butterworth)、贝 塞 尔 (Bessel)、 契 比 雪 夫(Chebychev)3 种[2],巴 特 沃 斯(Butterworth)滤 波 器 是 一 种 具 有 最 大 平 坦 幅 度 响 应 的 低 通 滤 波 器 ,它 在 通 信 领 域 里 已 有 广 泛 应 用[3]。 与 其 它 两 种 滤 波 器 相 比 ,巴 特 沃 斯 低 通 滤 波 器 由 于 在 衰 减 特 性 、相 位 特 性 和 响应特性等方面具有特性均衡的优点,因此在实际使用中,巴特沃斯滤波器受到广泛使用[3]。
设计一个有源低通滤波器,要求:fC=1kHz,Auo=2,在f=10 fc时,要求幅度衰减大 于 30dB[8]。 由 衰 减 估 算 式 :-20ndB/十 倍 频 ,算 出n=2。 选 择 的 低 通 滤 波 电 路 如 图 1 所 示 。
图 1 压 控 电 压 源 二 阶 低 通 滤 波 器 电 路 Fig.1 The circuit of two-order low-pass filter with voltage-controlled voltage source
31
对
于
二
阶
低
通
滤
波
器
,其
传
递
函
数
Au(s)= s2
Auoωc2 +ωQcs+ωc2
归一化后的传递函数
Au(sL
)= s2L
+
Auo Q1sL
+1
(7) (8)
2 Butterworth低通滤波器电路设计
巴特沃斯低通滤波器一般的设计步骤 是 先 根 据 滤 波 器 的 指 标 要 求 确 定 滤 波 器 的 阶 数 n,然 后 选 择 具 体的电路形式,再选择电路的运算放大器和算出电路中各元件的具体数值 ,最 后 完 成 电 路 安 装 和 调 试,满 足指标要求。常用的有源二阶滤波电路有两种电路形式:无限增益多路负反 馈 二 阶 滤 波 电 路 和 压 控 电 压 源二阶滤波电路 。 [6] 压控电压源二阶 滤 波 电 路 的 特 点 是:滤 波 器 是 同 相 滤 波 器,其 优 点 是 拥 有 高 输 入 阻 抗,很低的输出阻抗,滤波器类似于一个电压源 。 [7] 其优点是:电路性能稳定,增益容易调节。
第30卷 第4期 2014 年 12 月
金陵科技学院学报 JOURNAL OF JINLING INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol.30,No.4 Dec.,2014
基于 WEBENCH 的巴特沃斯低通滤波器的设计
徐志国,杨 娟
(金 陵 科 技 学 院 电 子 信 息 工 程 学 院 ,江 苏 南 京 211169)
4
(S2L +0.765 37SL +1)·(S2L +1.847 76SL +1)
5
(S2L +0.618 07SL +1)·(S2L +1.618 03SL +1)·(SL +1)
6
(S2L +0.517 64SL +1)·(S2L +槡2 SL +1)·(S2L +1.931 85SL +1)
该 电 路 的 传 递 函 数 如 式 (7),其 归 一 化 函 数 如 式 (8),将 它 们 的 分 母 与 表 1 归 一 化 传 递 函 数 的 分 母 多 项
式 比 较 得 :1 Q
=
槡2
通带内的电压放大倍数为
Auo
= Af
=
1+
R4 R3
=2
(9)
滤波器的截止角频率
ωc =
1
=2πfc =2π×103
32
金 陵 科 技 学 院 学 报
fc=1 000Hz,滤波器增益 Auo=2 ,阻带频率fs=10kHz,幅度衰减大于30dB。
第 30 卷
图2 WEBENCH 滤波器设计参数设置 Fig.2 The parameter setting of WEBENCH filter
≈
1 ωn
ωc
(3)
两 边 取 对 数 ,得
20lg
Au(jω) Auo
≈-20nlgωωc
(4)
此时阻带衰减速率为:20ndB/十倍频或 6ndB/倍频,该式称为衰减估算式。表1列出了归一化的、
n 为 1~8 阶 的 巴 特 沃 斯 低 通 滤 波 器 传 递 函 数 的 分 母 多 项 式 。
表 1 归 一 化 的 滤 波 器 传 递 函 数 的 分 母 多 项 式
槡R1R2C1C2
(10)
ωc Q
=
1 R1C1
+R21C1
+
(1-Auo
)1 R2C2
= 2π×103 × 槡2
(11)
在上面几个式子中共有多个未知数,3 个已知量,因此有许多元件组可满足给定特性的要求,这就 需
要先确定某些元件的值,再去确定其他元件的取值 。 [9-12]
3 基于 WEBENCH 的 Butterworth低通滤波器设计
在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式 中 ,SL = S/ωC ,ωC 是 低 通 滤 波 器 的 截 止频率 。 [5]
对 于 一 阶 低 通 滤 波 器 ,其 传 递 函 数 归一化的传递函数
Au(s)=sA+uoωωcc Au(sL )=sLA+uo1
(5) (6)
第4期
徐志国,等:基于 WEBENCH 的巴特沃斯低通滤波器的设计
如何在众多的运算放大器中选择合适的一个并且计算外围元件参数来完成巴特沃斯低通滤波器的设计 对一般的设计者也是个挑战,现在有了 WEBENCH 的帮助,只需输入想要得到的滤波器的参数,WEBENCH 的滤波器设计环境就会帮助做出正确的选择,并计算出外围电路中的 R、C 的值。WEBENCH 在生成有源滤 波器时 ,可以调节各种滤波 器 变 量 来 实 现 滤 波 器 的 优 化 。 在 如 图 2 所 示 的 窗 口 输 入 滤 波 器 参 数 ,截 止 频 率
7
(S2L +0.445 04SL +1)·(S2L +1.246 98SL +1)·(S2L +1.801 94SL +1)·(SL +1)
8
(S2L +0.390 18SL +1)·(S2L +1.111 14SL +1)·(S2L +1.662 94SL +1)·(S2L +1.961 57SL +1)
The Design of Butterworth Low-pass Filter Based on WEBENCH
XU Zhi-guo,YANG Juan (Jingling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)
Abstract:A design of the Butterworth low-pass filter is proposed based on WEBENCH software.The paper explores theoretical characteristics of Butterworth low-pass filter,and the design of the two-order filter circuit with voltage-controlled voltage source.The design of Butterworth low-pass filter has been simulated through TI WEBENCH software so that the operational amplifier and peripheral components parameter of the filter are determined.The validity of the design scheme is verified through the analysis of frequency response and step response of filter closed loop.Research shows that it can complete the filter design rapidly and effectively by using WEBENCH software,and it has some referential values for the de- sign of the actual filter. Key words:Butterworth;low-pass filter;WEBENCH;simulation
30
金 陵 科 技 学 院 学 报
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第 30 卷
参数,TI的 WEBENCH 就会帮助寻找到正确的 TI运算放大器,对外围电路中繁多的 R、C 值做出正确的 选择,WEBENCH 允许深度调节各种滤波器变量,优化滤波器,并具有 SPICE 模拟仿真功能。
1 Butterworth低通滤波器的特性
巴特沃斯滤波电路又叫最平幅度滤波电路,该滤波电路的特点是:在小于ωc (截止频率)的 范 围 内,幅 频响应具有最平幅度;在ω >ωc 后,幅频响应曲线下降较快 。 [4] 对于低通滤波电路来说,3dB 截止角频率 ωc =ωH =ωn 。
巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为
写成
Au(jω) =
Auo
, n =1,2,3,...
槡 ( ) 1+
ω ωc
2n
(1)
槡 ( ) Au(jω) Auo
=
1
1+
ω ωc
2n
(2)
其中 Auo为 通 带 内 的 电 压 放 大 倍 数,ωC 为 截 止 角 频 率,n 称 为 滤 波 器 的 阶。 从 (2)式 中 可 知,当 ω=0
Table 1 The denominator polynomial of the normalized filter transfer function
n
归一化的 Butterworth低通滤波器传递函数的分母多项式
1
SL +1
2
S2L = 槡2 SL +1
3
(S2L +SL +1)·(SL +1)
WEBENCH 是 TI公司的一款软件,它为滤波器的设计提供了最大的方便性和灵活性,可以快速地进 行低通、高通、带通或者带阻滤波器的设计。WEBENCH 在生成有源滤波器时,输入想要得到的滤波 器的
收 稿 日 期 :2014-11-15 基 金 项 目 :国 家 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (61302167) 作 者 简 介 :徐 志 国 (1977- ),男 ,江 苏 涟 水 人 ,讲 师/工 程 师 ,硕 士 ,主 要 从 事 电 子 技 术 及 智 能 仪 器 研 究 。
时,(2)式有最大值1;ω=ωC时,(2)式等于0.707,即 Au衰 减 了n=23dB;n 取 得 越 大,随 着ω 的 增 加,滤
波 器n=8 的 输 出 电 压 衰 减 越 快 ,滤 波 器 的 幅 频 特 性 越 接 近 于 理 想 特 性 。
当 ω> >ωC 时 ,
( ) Au(jω) Auo
几 乎 在 所 有 模 拟 电 子 电 路 中 都 能 看 到 有 源 滤 波 器 ,它 们 无 处 不 在 。 音 频 系 统 使 用 滤 波 器 进 行 频 带 限 制 和 平 衡 ,通 信 系 统 中 采 用 滤 波 器 调 谐 特 定 频 率 并 消 除 其 它 频 率 ,在 数 据 采 集 系 统 有 抗 混 叠 滤 波 器 ,抗 混 叠 滤 波 器 实 际 上 是 一 种 低 通 滤 波 器[1]。 常 用 的 滤 波 器 频 率 响 应 类 型 有 巴 特 沃 斯 (Butterworth)、贝 塞 尔 (Bessel)、 契 比 雪 夫(Chebychev)3 种[2],巴 特 沃 斯(Butterworth)滤 波 器 是 一 种 具 有 最 大 平 坦 幅 度 响 应 的 低 通 滤 波 器 ,它 在 通 信 领 域 里 已 有 广 泛 应 用[3]。 与 其 它 两 种 滤 波 器 相 比 ,巴 特 沃 斯 低 通 滤 波 器 由 于 在 衰 减 特 性 、相 位 特 性 和 响应特性等方面具有特性均衡的优点,因此在实际使用中,巴特沃斯滤波器受到广泛使用[3]。
设计一个有源低通滤波器,要求:fC=1kHz,Auo=2,在f=10 fc时,要求幅度衰减大 于 30dB[8]。 由 衰 减 估 算 式 :-20ndB/十 倍 频 ,算 出n=2。 选 择 的 低 通 滤 波 电 路 如 图 1 所 示 。
图 1 压 控 电 压 源 二 阶 低 通 滤 波 器 电 路 Fig.1 The circuit of two-order low-pass filter with voltage-controlled voltage source
31
对
于
二
阶
低
通
滤
波
器
,其
传
递
函
数
Au(s)= s2
Auoωc2 +ωQcs+ωc2
归一化后的传递函数
Au(sL
)= s2L
+
Auo Q1sL
+1
(7) (8)
2 Butterworth低通滤波器电路设计
巴特沃斯低通滤波器一般的设计步骤 是 先 根 据 滤 波 器 的 指 标 要 求 确 定 滤 波 器 的 阶 数 n,然 后 选 择 具 体的电路形式,再选择电路的运算放大器和算出电路中各元件的具体数值 ,最 后 完 成 电 路 安 装 和 调 试,满 足指标要求。常用的有源二阶滤波电路有两种电路形式:无限增益多路负反 馈 二 阶 滤 波 电 路 和 压 控 电 压 源二阶滤波电路 。 [6] 压控电压源二阶 滤 波 电 路 的 特 点 是:滤 波 器 是 同 相 滤 波 器,其 优 点 是 拥 有 高 输 入 阻 抗,很低的输出阻抗,滤波器类似于一个电压源 。 [7] 其优点是:电路性能稳定,增益容易调节。
第30卷 第4期 2014 年 12 月
金陵科技学院学报 JOURNAL OF JINLING INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol.30,No.4 Dec.,2014
基于 WEBENCH 的巴特沃斯低通滤波器的设计
徐志国,杨 娟
(金 陵 科 技 学 院 电 子 信 息 工 程 学 院 ,江 苏 南 京 211169)
4
(S2L +0.765 37SL +1)·(S2L +1.847 76SL +1)
5
(S2L +0.618 07SL +1)·(S2L +1.618 03SL +1)·(SL +1)
6
(S2L +0.517 64SL +1)·(S2L +槡2 SL +1)·(S2L +1.931 85SL +1)
该 电 路 的 传 递 函 数 如 式 (7),其 归 一 化 函 数 如 式 (8),将 它 们 的 分 母 与 表 1 归 一 化 传 递 函 数 的 分 母 多 项
式 比 较 得 :1 Q
=
槡2
通带内的电压放大倍数为
Auo
= Af
=
1+
R4 R3
=2
(9)
滤波器的截止角频率
ωc =
1
=2πfc =2π×103
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fc=1 000Hz,滤波器增益 Auo=2 ,阻带频率fs=10kHz,幅度衰减大于30dB。
第 30 卷
图2 WEBENCH 滤波器设计参数设置 Fig.2 The parameter setting of WEBENCH filter
≈
1 ωn
ωc
(3)
两 边 取 对 数 ,得
20lg
Au(jω) Auo
≈-20nlgωωc
(4)
此时阻带衰减速率为:20ndB/十倍频或 6ndB/倍频,该式称为衰减估算式。表1列出了归一化的、
n 为 1~8 阶 的 巴 特 沃 斯 低 通 滤 波 器 传 递 函 数 的 分 母 多 项 式 。
表 1 归 一 化 的 滤 波 器 传 递 函 数 的 分 母 多 项 式
槡R1R2C1C2
(10)
ωc Q
=
1 R1C1
+R21C1
+
(1-Auo
)1 R2C2
= 2π×103 × 槡2
(11)
在上面几个式子中共有多个未知数,3 个已知量,因此有许多元件组可满足给定特性的要求,这就 需
要先确定某些元件的值,再去确定其他元件的取值 。 [9-12]
3 基于 WEBENCH 的 Butterworth低通滤波器设计
在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式 中 ,SL = S/ωC ,ωC 是 低 通 滤 波 器 的 截 止频率 。 [5]
对 于 一 阶 低 通 滤 波 器 ,其 传 递 函 数 归一化的传递函数
Au(s)=sA+uoωωcc Au(sL )=sLA+uo1
(5) (6)
第4期
徐志国,等:基于 WEBENCH 的巴特沃斯低通滤波器的设计
如何在众多的运算放大器中选择合适的一个并且计算外围元件参数来完成巴特沃斯低通滤波器的设计 对一般的设计者也是个挑战,现在有了 WEBENCH 的帮助,只需输入想要得到的滤波器的参数,WEBENCH 的滤波器设计环境就会帮助做出正确的选择,并计算出外围电路中的 R、C 的值。WEBENCH 在生成有源滤 波器时 ,可以调节各种滤波 器 变 量 来 实 现 滤 波 器 的 优 化 。 在 如 图 2 所 示 的 窗 口 输 入 滤 波 器 参 数 ,截 止 频 率
7
(S2L +0.445 04SL +1)·(S2L +1.246 98SL +1)·(S2L +1.801 94SL +1)·(SL +1)
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(S2L +0.390 18SL +1)·(S2L +1.111 14SL +1)·(S2L +1.662 94SL +1)·(S2L +1.961 57SL +1)