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 π21f p =（3） 品质因数： fAv 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：3221232132232212)(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=)(2321321R 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 220s /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）RT 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。

max02min 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。