二阶带通滤波器理论设计

目录

摘要 (2)

引言 (3)

1.设计任务及要求 (3)

2.方案选择 (3)

3. 二阶带通滤波器理论设计 (4)

3.1 简介 (4)

3.2 工作原理 (4)

3.3 传递函数及性能参数 (5)

3.4 器件参数的选取 (6)

3.5 Multisim仿真及仿真数据处理 (6)

4.1 电路板制作 (9)

5. 电路板的调试 (10)

5.1 调试的仪器 (10)

5.2 调试过程及结果 (10)

5.3 调试所遇到的问题 (13)

5.4 调试误差分析 (13)

6. 结论 (13)

谢辞 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

摘要

在学习《模拟电子技术基础》的基础上，针对课程设计要求，设计一个通带

为0.833KHz、中心频率为1KHz、品质因素为6、最大增益为2的带通滤波器，，计算出该方案需要的电阻、电容、运算放大器参数，通过Multisim软件仿真和电路板的制作，对所选的方案进行调试，验证方案的正确性，并将实际设计的滤

波器与仿真得到的滤波器进行比较，分析误差产生的原因。

关键字：带通；滤波器；快速设计法；Multisim仿真；调试；分析误差

引言

本论文主要讨论信号的处理电路，其中一种电路称为模拟滤波器，模拟滤波器的主要功能是传送输入信号中有用的频率成分，衰减或抑制无用的频率成分，本文主要研究由电阻、电容和运算放大器组成的有源带通滤波电路，其原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来，把通带外的信号去除。

本论文介绍了使用查表归一快速设计有源滤波器的方法设计二阶有源带通滤波器的详细步骤，并对设计过程中所要处理的数据及图像进行详细地列举、分析。

1.设计任务及要求

1）设计一个模拟带通滤波器；

2）参数自定；

3）调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性；

2.方案选择

滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或者抑制。这些网络可以由RLC元件或RC元件构成无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件（如集成运放）构成有源滤波器。由集成运放、R、C组成的有源滤波有不用电感、体积小、重量轻的特点，此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用，本因此次实验选择有源滤波器。

一个理想的滤波器应在要求的通带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的带通滤波器距此有一定的差距，为此采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应，在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好，在给定带内所允许的纹波差，则用切比雪夫响应比较好。

为了获得比较稳定的信号，选择具有巴特沃斯响应的二阶RC有源滤波器设计方案。具有巴特沃斯响应的二阶RC带通滤波器的常用电路有电压控制电压源电路和无限增益多路反馈电路。电压控制电压源电路中的运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路，其优点是电路性能稳定，增益易调。而无限增益多路反馈电路的中的运放为反相输入，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路，故称无限增益多路反馈电路，其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响。为了使所设计的滤波器具有较好的增益可调性，选择电压控制电压源电路。

经过以上多方面的分析、比较，选出的方案为：设计一个具有巴特沃斯响应的二阶RC有源带通滤波电路：电压控制电压源电路，采用最基本的二阶滤波器快速的设计方法：查表归一快速设计有源滤波器的设计方法。

二阶带通滤波器

]最简单的带通滤波器称之为"二阶带通滤波器"，它的的特性用二阶线性微分方程表示，方程的左边与一般二阶系统的标准形式完全相同，而右边是激励源的导数项。如果激励源通过一个电阻R、电感L及电容C构成一个串联回路，并以电阻两端的电压作为响应，就构成了一个以二阶微分方程描述的“二阶带通滤波器”，它的幅频响应在零频率处及其附近以及较高的频率（f>>f2）处均等于或接近于零。从零频率起，随着频率的增加，这个系统的幅频响应逐渐平滑地增加到趋近于1，然后开始平滑地衰减为零。也就是说，较低或较高的频率通过该系统时，没有或几乎没有什么输出，而对于从f1到f2的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减。实际上，对于极低或极高的频率而言，电容C和电感L分别相当于“开路”一样，电路中的电流甚微，也就没有什么输出了。只有大于f1而小于f2的这些频率，基本上都可以在电阻两端获得输出。换言之，这个系统适宜于通过指定的一段频率范围而对于较低和较高的频率成分均有较大的阻碍作用，这个回路构成了一个“二阶带通滤波器”，是“带通滤波器”的最简形式3.2 工作原理

模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来，把通带外的信号去除。

原理图3.2

原理图3.2所示电路为二阶带通滤波电路，图中R1、C1组成低通网络，R3、C3组成高通网络，两者串联就组成了无源带通滤波电路，图中在带通电路的输出端再加上一个电压跟随器，使之与负载很好的隔离开，三者构成了一个简单的二阶有源带通滤波电路，由于电压跟随器的输入阻抗很高、输出阻抗很低、并且有电压放大功能的特性，将其改为同相比例放大电路如原理图3.2中所示的接法