二阶有源高通滤波器

2013级《模拟电子技术》课程设计说明书
二阶有源高通滤波器
院、部：电气与信息工程学院
学生姓名：方拓
指导教师：张松华职称副教授
专业：电气工程及其自动化
班级：电气本1301班
完成时间： 2015年6月20日
《模拟电子技术》课程设计任务书学院：电气与信息工程学院
适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程
《模拟电子技术》课程设计任务书学院：电气与信息工程学院
适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程
摘要
滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路，滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。

有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。

由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。

有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路，从滤波器的阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。

本设计为有源二阶高通滤波器。

本设计采用一般意义上的设计方案，即通过无源二阶高通滤波电路接入运放组成的放大电路，组成二阶有源RC高通滤波器，先根据设计方案计算出所需各元件参数，通过Multisim 10仿真得到具体的电路图，在由制图软件（Altium Designer summer 09）得到原理图，由原理图导入到PCB图中，得到我们所用的电路板。

其中包括了电子元件的新建和封装、打印、转印等步骤。

最后，焊接时应注意线是否导通、是否短路和有无虚焊等。

最终完成安装，进行调试。

调试结果表明电路仅能够实现信号的高通滤波。

关键词：二阶；有源；高通；滤波器
目录
1绪论 (18)
1.1设计课题意义及背景 (18)
1.2设计课题任务及要求 (18)
1.3设计内容 (18)
2设计原理及方案比较 (1)
2.1设计原理 (1)
2.2方案比较 (1)
2.3设计方案 (3)
2.4直流电压源的设计 (4)
2.4.1设计要求 (4)
2.4.2直流稳压电源工作原理 (4)
3设计课题的参数选择 (5)
3.1有源二阶高通滤波器 (5)
3.1.1无源二阶RC高通滤波电路部分 (5)
3.1.2运放部分 (5)
3.2.1电源变压器 (6)
3.2.2整流桥 (6)
3.2.3滤波部分 (6)
4仿真分析 (8)
4.1仿真电路图 (8)
4.2仿真数据及分析 (8)
5制作与调试 (11)
5.1安装与调试 (11)
5.2调试 (11)
5.3调试结果 (12)
5.3.1直流电源调试结果 (12)
5.3.2二阶有源高通滤波电路调试结果 (12)
5.4 数据分析 (13)
5.5 故障排查 (13)
心得体会 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
附录 (16)
附录A 电路原理图 (16)
附录B 电路PCB图 (17)
附录C 电路实物图 (17)
附录C 元件清单 (18)
1绪论
1.1设计课题意义及背景
电子技术是当今科技发展的热点，各先进国家无不把它放在优先发展的地位。

电子技术是电气类专业的一门重要的技术基础课，课程的显著特点之一是它的实践性。

想要很好的掌握电子技术，除了掌握基本理论之外还要将其运用到实践中去，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。

滤波器是信号处理的重要单元,在现代电子技术中得到了广泛的应用。

按处理信号的不同,滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器,模拟滤波器按构成元件的不同又可分为有源滤波器和无源滤波器。

有源滤波器是指网络由电阻、电容及有源器件(三极管、运算放大器等,通常是运算放大器) 构成。

因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。

有源滤波器有许多独特的优点,如设计标准化、模块化、易于制造等。

由于运算放大器的增益和输入电阻高、输出电阻低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用，并可用简单的级联得到高阶滤波器,且调谐也很方便。

有源滤波电路的用途很广,主要用于小信号处理,可作为抑制干扰、噪声、衰减无用频率信号而突出有用频率信号达到提高噪声比或选频的目的。

在实际应用中,综合考虑电路滤波特性和信号增益,一般选用有源滤波器,因此,研究其设计有很大的实际意义。

1.2设计课题任务及要求
设计一种二阶RC有源高通滤波器电路，电路截止频率100HZ，通带内增益2~3倍，幅频特性、相频特性曲线尽可能接近理想化。

1.3设计内容
（1）电路设计方案比较；
（2）电路参数分析计算和选择；
（3）单元电路设计并进行分析；
（4）实物制作；
（5）系统调试（使用的仪器、测试数据表）；
（6）撰写设计报告。

2设计原理及方案比较
2.1设计原理
二阶高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。

图1 二阶有源滤波器设计原理
2.2方案比较
（1）压控电压源二阶高通滤波器
图2所示，电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。

当信号频率趋于零时，反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于c R 的电抗很大，因而Up （s ）趋于零。

所以，只要正反馈引入得当，就既可能在0f f 时使电压放大倍数数值增大，又不会因负反馈过强而产生自激振荡。

同相输入端电位控制由集成运放和R1、R2组成的电压源，故称为压控电压滤波电路。

同时该电路具有减少、增益稳定、频率范围宽等优点。

电路中C 、R 构成反馈网络。

压控电压源二阶高通滤波器电路如图2所示，其传输函数为公式(1)所示。

图2 压控电压源二阶高通滤波器
传输函数:
22
)()3(1s s sRC sRC A RC A A Vf Vf +-+=）
（）（
（1） 通带增益:
1f vf /1R R A += （2） 截止频率： RC π21
f p =
（3） 品质因数： f
Av Q -=31
（4） （2）无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
无限增益多路负反馈二阶高通滤波器电路图如图3所示。

图3 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
该电路的传输函数为：
322123213223
2212)(1s C C R R s C C C C C R s C C R R s A A vf ++++=）（ (5)
通带增益： 21vf C C A -
= (6) 截止频率： 3221p 21f C C R R π=
(7) 品质因数： Q=)(2
321321R C C R C C C ++ (8) 通过上述比较上述两种方案，压控电压源二阶高通滤波器具有元件参数易于确定，电路易于实现的优点，因此本设计选用压控电压源二阶高通滤波器。

2.3设计方案
图4是一个二阶高通滤波器。

图中虚线部分是一个无源二阶高通滤波器电路，为了提高它的滤波性能和带负载的能力，将该无源网络接入由运放组成的放大电路，组成二阶有源RC 高通滤波器。

图4 二阶高通滤波器
其传递函数为（9）所示:
2c c 22
0s /s s s ωω++=）（）（Q A A (9)
2.4直流电压源的设计
2.4.1设计要求
设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V 的交流电压时，能产生±12V 、±9V 、±5V 三组直流电压输出。

2.4.2直流稳压电源工作原理
直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如图5所示。

图5 直流稳压电源工作原理.
其中：
（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

3设计课题的参数选择
3.1有源二阶高通滤波器
3.1.1无源二阶RC 高通滤波电路部分
无源二阶RC 高通滤波电路部分如图6虚线部分所示。

图6 有源二阶滤波电路
因为设计要求滤波器截止频率p f =100Hz ，由截止频率公式：RC π2/1f p =可知1002/1=RC π。

电容C 宜在微法数量级左右，这里选择C=1μF ，所以R=1.59k Ω，实际电阻选择1.6k Ω的电位器。

3.1.2运放部分
运放部分如图7所示, 其通道增益1f vf /1R R A += 因为要求通带内增益2~3倍，这里选择增益为vf A =2.5，取R1=2k Ω Rf=3k Ω，满足5.22/31vf =+=A 。

图7 运放部分
运放选择741通用运放其管角图如图8所示，1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源，8空脚。

图8 741运放管脚图
3.2直流稳压电源
3.2.1电源变压器
据三端固定式集成稳压器的特点，一般要求最小的输入电压、输出电压为V V 3~2,所以可取的输出电压为15V 的变压器。

3.2.2整流桥
稳压源设计要求最大输出电流为I 0max =500mA ，整流二极管的参数应满足最大整流电流I ＞1.5I 0max =0.75A ，最大反向电压应大于变压器副边输出电压22U 。

3.2.3滤波部分
滤波电容满足：
()25~3T C R L ≥ （10）
由式（10）可得滤波电容可等于式（11）
R
T C 25=
（11）
式中R L 为C 右边的等效电阻，应取最小值，T 为电流电源的周期。

R L 最小值可由公式（12）算出。

max
02min 2I U R L =
（12）
将T=20ms,I max =500mA 代入式（11），可得Ω=33min L R 。

将Ω=33min L R ，T=20ms 再代入（12）式，得出C=1515μF。

可见，C 容量较大，应选电解电容，实际容量选4700μF，其耐压值为35V 。

3.2.4稳压部分
稳压部分采用集成稳压器L7812、L7912、 L7809、L7909、L7805、L7905，其最大输入电压35V ，最大输出电流1.5 A ，最大耗散功率D P =20 W ，参数都符合要求。

4仿真分析
4.1仿真电路图
电路图仿真如图9所示其中nf 10021==C C ，Ω== 1.6k R2R ，Ω=3k Rf ，
Ω=2k R1。

图9 仿真电路图
4.2仿真数据及分析
波特仪显示结果如图10所示，其通带增益为7.79dB ，与设计的Avf=2.5（7.960）非常接近。

图10 波特仪显示结果
截止频率如图11所示，由图10与图11可见经仿真分析可得在衰减-3dB 时得出的下限截止频率为102.315Hz ，与当初设计的100Hz 十分接近。

图11 波特仪所示截止频率
当输入信号为50Hz 5v 时示波器显示如图12所示，其幅值下降，其增益
59.0A vf ,说明电路有滤波作用。

图12 当输入信号为50Hz 5v时示波器显示
A=2.5，当输入信号为200Hz 5v时示波器显示如图13所示，其幅度增益约
vf
说明信号能通过电路，符合设计要求。

图13 当输入信号为200hz 5V时示波器显示
5制作与调试
5.1安装与调试
根据电路图使用Altium Designer summer 09软件画出PCB图，打印到电路板上并腐蚀打孔。

对电路进行组装：按照自己设计的电路，在在PCB板上焊接。

焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。

对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。

经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。

安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能接错,从输入级开始向后级安装。

5.2调试
滤波器电路连接好后，调试需要函数发生器、示波器、万用表各一个，一个能产生+12V，-12V的直流稳压并联接地电源，我们需要函数发生器产生0——
22KHz，幅值为500mv的信号。

输入Ui接函数发生器，输出U0接示波器，直流稳压电源的+12V接OP07的7引脚，-12V接4引脚。

注意：在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路，且不能带电操作。

5.3调试结果
5.3.1直流电源调试结果
使用万用表直流电压20v档位测量直流电源的各个端口，经测量其各个端口的电压为12.06v、-12.03v、8.97v、-8.93v、4.96v、-4.98v。

5.3.2二阶有源高通滤波电路调试结果
输入电压为mV
U i500
调节信号频率从0Hz到4000Hz中取10组不同频率的信号，调试结果如表一所示。

表1 二阶有源高通滤波电路实验值
输入信号频率（f/Hz）输入信号幅值
（U i/mV）
输出信号幅值
（U i/mV）
20 500 12.4 30 500 20.3 50 500 31.7 100 500 56.3 200 500 70.7 400 500 114 1000 500 180 2000 500 207 3000 500 215
4000 500 220
5.4 数据分析
由表1数据可知，随着输入信号频率的升高，输出幅值逐渐增大，说明其无源滤波网络部分正常工作，但是增益小于1，说明放大电路存在问题。

5.5 故障排查
用万用表检测运放的7脚电压只有9.58V，没有达到要求的12V，说明运放没有正常工作，所以输出信号的增益会出现问题。

心得体会
经过几个星期的工作，我们的二阶有源滤波网落并没有正常运行。

但在使用Multisim10.0进行仿真得到了要求的结果，表明理论知识没有问题而实际操作有一定的偏差。

在以后的课程设计中要加强实际操作能力，本次课程设计让我们了解了滤波器的工作原理以及分类，也让我们熟悉了函数发生器与示波器，接触并学会用 Multisim10.0进行仿真，强化了我对解决实际电路设计问题。

通过这次对有源二阶高通滤波器的设计制作使最深刻的体会是掌握一门知识不仅是从理论上弄懂更重要的是联系实际亲自动手实践才能真正的掌握一门技术并运用于实际生产。

参考文献
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［3］熊幸明.电工电子实训教程［Ｍ］.北京：清华大学出版社，314
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2007
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312
［4］王渊峰.Altium Designer 10电路设计标准教程［Ｍ］.北京：科学出版社2012
.
65
~
30
致谢
这次课程设计是大学生涯第一次自己投身到电路的设计、制作、调试中去，得到了很多锻炼，这里感谢首先学校给我这一次磨砺的机会，特别感谢指导老师张松华在百忙之中抽空对我们细心指导，没有她的帮助我们我们很难开始设计工作，这里还要感谢各位同学的无私帮助。

这次课程设计让我深刻明白了理论知识与实际操作的差距，在以后的学习中要加强锻炼。

最后在此感谢张松华老师对我的启发以及各位同学的无私帮助。

谢谢你们！
附录
附录A 电路原理图
二阶有源低通滤波器原理图
直流稳压源原理图
附录B 电路PCB图
二阶有源滤波器PCB电路图
直流稳压电源PCB图
附录C 电路实物图
二阶有源滤波器实物图
直流稳压电源实物图
附录C 元件清单
1个1 变压器E148*24
50/60Hz
2 整流桥GBU 406 1个
3 电容4700uf 2个
4 电容220uf 6个
5 电容0.1uf 8个
6 LED 6个
7 六角开关1个
各1片8 稳压器L7812、L7912、
L7809、L7909、
L7805、L7905
9 排针1排
10 电源线1条。