2MHz切比雪夫低通滤波器设计说明书
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2）滤波器的截止频率为2MHz因此选用高频特性较好的MFB结构。
3）为了将正方波的直流分量去除，在输入端串联一个10uF耦合电容。
3.2.3
通过查表得到4阶切比雪夫系数如下（0.05dB纹波）
阶数n
滤波器序号
滤波器系数
滤波器系数
4
1
1.751
1.003
2
0.436
0.626
低通滤波器的传递函数如下。
2.12
2.04
1.84
1.26
增益(dB)
0
0.167
0.249
0.0856
-0.549
-3.568
相位( )
-7.429
-30.63
-66.24
-106.4
-148
157.6
频率（Hz）
3M
4M
5M
6M
7M
8M
输入（ ）
1.8
1.66
1.52
1.34
1.22
1.11
输出（ ）
0.66
0.18
0.0712
2）幅频响应特性曲线：
图6幅频响应曲线
3）方波滤波测试：
图7实测波形图
波形无明显失真，根据示波器的FFT计算功能，三次谐波的幅值约为基波幅值的0.0086倍。
4.3.
1）功能实现：
输入2MHz的峰峰值为 的正方波信号，输出无明显失真的正弦波
6MHz正弦波的增益小于-30dB
2）功能展望：
进一步减小谐波分量的幅值，获得失真更小的正弦波
4.系统测试与总结12
4.1.测试方案12
4.2.测试用例及结果13
4.3.总结15
5.附录：Tina-TI仿真结果15
5.1方波滤波仿真15
5.2傅里叶分析仿真16
5.3频率响应仿真17
关键词：MFB低通模拟有源滤波器；filtersolutions；WEBENCH设计平台；Tina-TI
摘要：综合运用filtersolutions、WEBENCH等设计工具，设计合适的有源低通滤波器，实现输入2MHz的方波，输出无明显失真的2MHz正弦波。
0.0392
0.0304
0.0288
增益(dB)
-8.71
-19.3
-26.6
-30.7
-32.1
-31.7
相位( )
121Байду номын сангаас3
87.84
63.69
71.49
79.23
97.14
在2MHz的截止频率点处增益为-0.549dB,在6MHz的3次谐波处，增益为-30dB，3次谐波的幅值约为基波幅值的百分之一，基本设计达到要求。
5.
频率响应的仿真结果如下
图11频率响应仿真结果
频率(Hz)
1M
2M
6M
10M
14M
增益(dB)
-0.252
-0.493
-35.06
-53.37
-65.15
6MHz处的增益为-35dB达到设计要求。
修订记录
日期
修订版本
修改描述
作者
2015-04-15
1.0
报告初稿
杨群
2015-04-18
2.0
附录补充
刘巍
目录
目录
1.技术简介6
1.1.目的6
1.2.技术背景6
2.总体设计7
2.1.系统架构与功能分解7
2.2.创新点与差异特性设计8
3.硬件设计9
3.1.硬件系统框图9
3.2.滤波器电路设计9
3.3其它电路12
d.椭圆滤波器：截止特性较以上几种类型的滤波器更好，但是对于元件要求很严格。
2.按照拓扑结构分类：
a.Sallen Key类型：对寄生参数较敏感，具有高频馈通现象，因此高频特性较差
b.MFB类型：对寄生参数较不敏感，无高频馈通现象。
2）本4阶低通滤波器设计方案采用切比雪夫类型，MFB结构。
2.
2
系统结构框图如图1所示。由信号发生器产生频率为2MHz的方波作为系统的输入信号，经过MFB结构的4阶低通模拟有源滤波器滤除方波信号中的高次谐波，只剩下频率为2MHz的基频正弦波作为系统的输出。数字示波器用于观察输出的正弦波，并进行FFT运算观察输出信号中的频率成分。
文档名称
文档资源编号
2MHz切比雪夫低通滤波器设计说明书
文档版本
01
2.0
2MHz切比雪夫低通滤波器
设计说明书
拟制:
杨群
刘巍
日期：
2015-04-15
审核:
张淦
日期：
2015-04-18
文档版权声明
本文档版权归华中科技大学电工电子科技创新中心网站所有，未经本网站授权不得向任何其它企业、网站、论坛或个人上传、拷贝或其它方式传播本文档内容。
3.2.
图4设计结果
（Tina-TI仿真结果见附录。）
3.3
电源电路设计
图5电源电路
利用磁珠与去耦电容，减小电源纹波使运放工作在更加稳定的状态。
4.
4.1.
1）测试环境
仪表信号
仪表名称
信号发生器
Tektronix DPO 2012B 数字滤波器
直流稳压电源
DF1731SL1ATA稳压源
示波器
EE1420型DDS合成函数信号发生器
图1系统结构框图
方案的重点在于如何利用现有元件，根据GPOP模块结构设计出符合标准的滤波电路。难点是在满足上述限制下，如何综合利用各种设计工具实现足够陡峭的过渡带，在3倍频的范围内完成过渡，将高次谐波衰减符合要求的范围内。
2.2.
filtersolutions（FS）是非常常用的滤波器设计软件，但是FS中选择个别类型的滤波器的时候无法设置阻带频率点和阻带增益。因此我们将FS和TI公司推出的综合设计平台WEBENCH、仿真软件Tina-TI结合起来使用，在满足简单易用的同时可以更大程度的细化滤波器设计参数，且对于TI公司的芯片更有针对性，从而使得设计过程更加科学简单。
1.按照滤波器特性分类：
a.贝塞尔滤波器：具有最平坦的相移特性，因而这种滤波器能够无失真的传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号。但其截止特性相当差。
b.切比雪夫滤波器：在通带内具有相等的纹波，截止特性很好，但是相位特性和群延迟特性较差。
c.巴特沃斯滤波器：通带和阻带内的特性都最为平坦，截止特性和相移特性都比较好。是应用最为广泛的一种滤波器
2）测试方案：
1.连接电源，给电路上电。
2.连接信号源，输入频率为2MHz的幅度为 的正方波信号。
3.用示波器测量输出的信号，观察波形是否失真。记录信号峰峰值，与方波基频信号的峰峰值进行对比，计算信号的幅值比。
4.运用示波器的Math功能对输出信号做FFT运算，从频域观察输出信号的谐波失真程度。调用光标测量高次谐波的幅值，与信号幅值对比，计算信号的THD。
5.从输入端口，输入一系列频率的正弦波信号。
6.用通道1测量输入信号，通道2测量输出信号，并通过measure功能，测量两个信号的峰峰值和相位差。
4.2.
1）幅频响应测试：
频率（Hz）
100k
500k
1M
1.5M
2M
2.5M
输入（ ）
2.08
2.06
2.06
2.02
1.96
1.9
输出（ ）
2.08
2.1
缩略语清单：
缩略语
英文全名
中文解释
FS
filtersolutions
一款滤波器设计软件
THD
Total Harmonic Distortion
高次谐波失真
GPOP
Generalpurpose OP Amp
通用运放模块
1.
1.1.
1）目的：模拟有源滤波器是用于筛选信号中某一部分频率，而遏制其他频率成分的一种特殊电路。由于其频域的筛选特性，模拟有源滤波器常被用于去噪、抗混叠等信号处理过程中，在测量、控制和通信等领域扮演着重要的角色。对于即将参加全国大学生电子设计大赛的学生来说，熟练掌握模拟滤波器的设计流程和设计方法是十分必要。我们希望通过本次实践过程初步掌握模拟有源滤波器的设计过程和方法。
由以上表达式可知，基波峰峰值应为 。三次谐波的峰峰值，为基波幅值的 。因此为得到无明显失真的正弦波，只需将三次谐波的峰峰值衰减至基波峰峰值的百分之一以下，并且保持基波峰峰值基本不变。
3.2.2
根据以上分析
1）由于要求三次谐波峰峰值小于基波的百分之一，即三倍频之内衰减应小于-30dB，故选用4阶滤波器。且目标只是得到无明显失真的正弦波，对通频带内增益的平坦程度没有要求，故采用具有更为陡峭衰减特性的4阶切比雪夫低通滤波器。
3）改进方法：
设计阶数更高的滤波器。
选择更陡峭的传递函数。
选用精度更高的电阻电容。
5.
5.1
信号源输入峰峰值为 ，2MHz正方波，在 处检测输出波形。仿真结果如下
图8Tina-TI仿真波形
波形无明显失真。
5.
对5.1的输出结果进行傅里叶分析，仿真结果如下
图9傅里叶分析结果1
图10傅里叶分析结果2
谐波失真为0.49%满足设计要求
滤波器结构图如图3所示
图3滤波器结构图
取
根据计算，该滤波器传递参数如下
故元件参数应满足以下关系
带入切比雪夫系数，解得
选取元件参数如下
3.2.4
因为滤波电路截止频率为2MHz，增益为1，故信号的增益带宽积为2MHz，根据经验，芯片的增益带宽积最好是最大需求的10~100倍，才能保证系统性能最优，故选用增益带宽积大于100MHz的运放。输出正弦波峰峰值约为2 ，则由公式 计算出需要的压摆率至少为25V/us,在选择时也要留有10倍以上的裕量，故选用压摆率大于250V/us的运放。系统供电电压为±2.5V，故选用最小供电电压小于或等于正负2.5V的运放。综上所述，TI公司的OPA2356运放芯片可以满足设计要求。
2）目标：
1.熟悉并掌握在模拟有源滤波器设计过程中需要的理论知识和设计方法。
2.掌握filtersolutions、WEBENCH等滤波器设计工具和Tina-TI仿真工具。
3.根据GPOP模块，设计并制作有源滤波器，实现输入2MHz的方波，滤波输出无明显失真的2MHz正弦波。
1.2.
1）目前，业内模拟有源滤波器种类繁多，性能不一。根据不同的标准大致可将常用的模拟有源滤波器设计方案分为以下几类。
3.
3.1.
图2硬件系统框图
硬件系统框图如图2所示。本系统主要由输入输出端口、滤波电路和电源部分构成。由外部信号发生器产生的方波信号经过输入端口输入到滤波电路中，电路对高次谐波进行过滤后得到无明显失真的正弦波通过输出端口输出。电源部分负责为滤波电路提供稳定的、低噪声的电源。
3.2.
3.2.1
根据本设计的要求：从频率为2MHz,幅值为 的正方波中滤出无明显失真的正弦波。对峰峰值为 ，2MHz正方波进行傅里叶分析。
3）为了将正方波的直流分量去除，在输入端串联一个10uF耦合电容。
3.2.3
通过查表得到4阶切比雪夫系数如下（0.05dB纹波）
阶数n
滤波器序号
滤波器系数
滤波器系数
4
1
1.751
1.003
2
0.436
0.626
低通滤波器的传递函数如下。
2.12
2.04
1.84
1.26
增益(dB)
0
0.167
0.249
0.0856
-0.549
-3.568
相位( )
-7.429
-30.63
-66.24
-106.4
-148
157.6
频率（Hz）
3M
4M
5M
6M
7M
8M
输入（ ）
1.8
1.66
1.52
1.34
1.22
1.11
输出（ ）
0.66
0.18
0.0712
2）幅频响应特性曲线：
图6幅频响应曲线
3）方波滤波测试：
图7实测波形图
波形无明显失真，根据示波器的FFT计算功能，三次谐波的幅值约为基波幅值的0.0086倍。
4.3.
1）功能实现：
输入2MHz的峰峰值为 的正方波信号，输出无明显失真的正弦波
6MHz正弦波的增益小于-30dB
2）功能展望：
进一步减小谐波分量的幅值，获得失真更小的正弦波
4.系统测试与总结12
4.1.测试方案12
4.2.测试用例及结果13
4.3.总结15
5.附录：Tina-TI仿真结果15
5.1方波滤波仿真15
5.2傅里叶分析仿真16
5.3频率响应仿真17
关键词：MFB低通模拟有源滤波器；filtersolutions；WEBENCH设计平台；Tina-TI
摘要：综合运用filtersolutions、WEBENCH等设计工具，设计合适的有源低通滤波器，实现输入2MHz的方波，输出无明显失真的2MHz正弦波。
0.0392
0.0304
0.0288
增益(dB)
-8.71
-19.3
-26.6
-30.7
-32.1
-31.7
相位( )
121Байду номын сангаас3
87.84
63.69
71.49
79.23
97.14
在2MHz的截止频率点处增益为-0.549dB,在6MHz的3次谐波处，增益为-30dB，3次谐波的幅值约为基波幅值的百分之一，基本设计达到要求。
5.
频率响应的仿真结果如下
图11频率响应仿真结果
频率(Hz)
1M
2M
6M
10M
14M
增益(dB)
-0.252
-0.493
-35.06
-53.37
-65.15
6MHz处的增益为-35dB达到设计要求。
修订记录
日期
修订版本
修改描述
作者
2015-04-15
1.0
报告初稿
杨群
2015-04-18
2.0
附录补充
刘巍
目录
目录
1.技术简介6
1.1.目的6
1.2.技术背景6
2.总体设计7
2.1.系统架构与功能分解7
2.2.创新点与差异特性设计8
3.硬件设计9
3.1.硬件系统框图9
3.2.滤波器电路设计9
3.3其它电路12
d.椭圆滤波器：截止特性较以上几种类型的滤波器更好，但是对于元件要求很严格。
2.按照拓扑结构分类：
a.Sallen Key类型：对寄生参数较敏感，具有高频馈通现象，因此高频特性较差
b.MFB类型：对寄生参数较不敏感，无高频馈通现象。
2）本4阶低通滤波器设计方案采用切比雪夫类型，MFB结构。
2.
2
系统结构框图如图1所示。由信号发生器产生频率为2MHz的方波作为系统的输入信号，经过MFB结构的4阶低通模拟有源滤波器滤除方波信号中的高次谐波，只剩下频率为2MHz的基频正弦波作为系统的输出。数字示波器用于观察输出的正弦波，并进行FFT运算观察输出信号中的频率成分。
文档名称
文档资源编号
2MHz切比雪夫低通滤波器设计说明书
文档版本
01
2.0
2MHz切比雪夫低通滤波器
设计说明书
拟制:
杨群
刘巍
日期：
2015-04-15
审核:
张淦
日期：
2015-04-18
文档版权声明
本文档版权归华中科技大学电工电子科技创新中心网站所有，未经本网站授权不得向任何其它企业、网站、论坛或个人上传、拷贝或其它方式传播本文档内容。
3.2.
图4设计结果
（Tina-TI仿真结果见附录。）
3.3
电源电路设计
图5电源电路
利用磁珠与去耦电容，减小电源纹波使运放工作在更加稳定的状态。
4.
4.1.
1）测试环境
仪表信号
仪表名称
信号发生器
Tektronix DPO 2012B 数字滤波器
直流稳压电源
DF1731SL1ATA稳压源
示波器
EE1420型DDS合成函数信号发生器
图1系统结构框图
方案的重点在于如何利用现有元件，根据GPOP模块结构设计出符合标准的滤波电路。难点是在满足上述限制下，如何综合利用各种设计工具实现足够陡峭的过渡带，在3倍频的范围内完成过渡，将高次谐波衰减符合要求的范围内。
2.2.
filtersolutions（FS）是非常常用的滤波器设计软件，但是FS中选择个别类型的滤波器的时候无法设置阻带频率点和阻带增益。因此我们将FS和TI公司推出的综合设计平台WEBENCH、仿真软件Tina-TI结合起来使用，在满足简单易用的同时可以更大程度的细化滤波器设计参数，且对于TI公司的芯片更有针对性，从而使得设计过程更加科学简单。
1.按照滤波器特性分类：
a.贝塞尔滤波器：具有最平坦的相移特性，因而这种滤波器能够无失真的传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号。但其截止特性相当差。
b.切比雪夫滤波器：在通带内具有相等的纹波，截止特性很好，但是相位特性和群延迟特性较差。
c.巴特沃斯滤波器：通带和阻带内的特性都最为平坦，截止特性和相移特性都比较好。是应用最为广泛的一种滤波器
2）测试方案：
1.连接电源，给电路上电。
2.连接信号源，输入频率为2MHz的幅度为 的正方波信号。
3.用示波器测量输出的信号，观察波形是否失真。记录信号峰峰值，与方波基频信号的峰峰值进行对比，计算信号的幅值比。
4.运用示波器的Math功能对输出信号做FFT运算，从频域观察输出信号的谐波失真程度。调用光标测量高次谐波的幅值，与信号幅值对比，计算信号的THD。
5.从输入端口，输入一系列频率的正弦波信号。
6.用通道1测量输入信号，通道2测量输出信号，并通过measure功能，测量两个信号的峰峰值和相位差。
4.2.
1）幅频响应测试：
频率（Hz）
100k
500k
1M
1.5M
2M
2.5M
输入（ ）
2.08
2.06
2.06
2.02
1.96
1.9
输出（ ）
2.08
2.1
缩略语清单：
缩略语
英文全名
中文解释
FS
filtersolutions
一款滤波器设计软件
THD
Total Harmonic Distortion
高次谐波失真
GPOP
Generalpurpose OP Amp
通用运放模块
1.
1.1.
1）目的：模拟有源滤波器是用于筛选信号中某一部分频率，而遏制其他频率成分的一种特殊电路。由于其频域的筛选特性，模拟有源滤波器常被用于去噪、抗混叠等信号处理过程中，在测量、控制和通信等领域扮演着重要的角色。对于即将参加全国大学生电子设计大赛的学生来说，熟练掌握模拟滤波器的设计流程和设计方法是十分必要。我们希望通过本次实践过程初步掌握模拟有源滤波器的设计过程和方法。
由以上表达式可知，基波峰峰值应为 。三次谐波的峰峰值，为基波幅值的 。因此为得到无明显失真的正弦波，只需将三次谐波的峰峰值衰减至基波峰峰值的百分之一以下，并且保持基波峰峰值基本不变。
3.2.2
根据以上分析
1）由于要求三次谐波峰峰值小于基波的百分之一，即三倍频之内衰减应小于-30dB，故选用4阶滤波器。且目标只是得到无明显失真的正弦波，对通频带内增益的平坦程度没有要求，故采用具有更为陡峭衰减特性的4阶切比雪夫低通滤波器。
3）改进方法：
设计阶数更高的滤波器。
选择更陡峭的传递函数。
选用精度更高的电阻电容。
5.
5.1
信号源输入峰峰值为 ，2MHz正方波，在 处检测输出波形。仿真结果如下
图8Tina-TI仿真波形
波形无明显失真。
5.
对5.1的输出结果进行傅里叶分析，仿真结果如下
图9傅里叶分析结果1
图10傅里叶分析结果2
谐波失真为0.49%满足设计要求
滤波器结构图如图3所示
图3滤波器结构图
取
根据计算，该滤波器传递参数如下
故元件参数应满足以下关系
带入切比雪夫系数，解得
选取元件参数如下
3.2.4
因为滤波电路截止频率为2MHz，增益为1，故信号的增益带宽积为2MHz，根据经验，芯片的增益带宽积最好是最大需求的10~100倍，才能保证系统性能最优，故选用增益带宽积大于100MHz的运放。输出正弦波峰峰值约为2 ，则由公式 计算出需要的压摆率至少为25V/us,在选择时也要留有10倍以上的裕量，故选用压摆率大于250V/us的运放。系统供电电压为±2.5V，故选用最小供电电压小于或等于正负2.5V的运放。综上所述，TI公司的OPA2356运放芯片可以满足设计要求。
2）目标：
1.熟悉并掌握在模拟有源滤波器设计过程中需要的理论知识和设计方法。
2.掌握filtersolutions、WEBENCH等滤波器设计工具和Tina-TI仿真工具。
3.根据GPOP模块，设计并制作有源滤波器，实现输入2MHz的方波，滤波输出无明显失真的2MHz正弦波。
1.2.
1）目前，业内模拟有源滤波器种类繁多，性能不一。根据不同的标准大致可将常用的模拟有源滤波器设计方案分为以下几类。
3.
3.1.
图2硬件系统框图
硬件系统框图如图2所示。本系统主要由输入输出端口、滤波电路和电源部分构成。由外部信号发生器产生的方波信号经过输入端口输入到滤波电路中，电路对高次谐波进行过滤后得到无明显失真的正弦波通过输出端口输出。电源部分负责为滤波电路提供稳定的、低噪声的电源。
3.2.
3.2.1
根据本设计的要求：从频率为2MHz,幅值为 的正方波中滤出无明显失真的正弦波。对峰峰值为 ，2MHz正方波进行傅里叶分析。