【正文】 基于運算放大器的帶通濾波器的設(shè)計與物理實現(xiàn)畢業(yè)論文目 錄摘要………………………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………………………………II緒論……………………………………………………………………………………11 帶通濾波器簡介及設(shè)計方案………………………………………………………2 濾波器簡介………………………………………………………………………2 有源帶通濾波器的設(shè)計要求指標(biāo)………………………………………………3 方案選擇與討論…………………………………………………………………32 低階有源帶通濾波器設(shè)計…………………………………………………………4 運算放大器簡介…………………………………………………………………4 理想運算放大器………………………………………………………………5 利用傳遞函數(shù)分析低階有源濾波器……………………………………………6 典型二階有源帶通濾波器………………………………………………………8 KRC帶通濾波器………………………………………………………………8 多重反饋帶通濾波器…………………………………………………………9 狀態(tài)變量和雙二階帶通濾波器………………………………………………103 高階有源帶通濾波器設(shè)計…………………………………………………………14 濾波器近似………………………………………………………………………14 基于Filter Pro的級聯(lián)設(shè)計與TinaTi的仿真波形和分析結(jié)果………………174 系統(tǒng)整體調(diào)試……………………………………………………………………21 音頻信號發(fā)生電路………………………………………………………………21 音頻信號接收電路………………………………………………………………21 系統(tǒng)整體電路圖與濾波結(jié)果分析………………………………………………22結(jié)論…………………………………………………………………………………25致謝…………………………………………………………………………………26參考文獻…………………………………………………………………………………27附錄1 基于msp430的音頻信號發(fā)生程序…………………………………………29I緒 論隨著數(shù)字化進程的不斷推進，數(shù)字濾波器越來越廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域之中。但是模擬濾波器憑借自身的優(yōu)勢仍然有很高的研究價值。所有數(shù)字系統(tǒng)的前端，一般需要一個對微弱信號預(yù)處理的部分；在抽樣量化之前，還需要一個對信號最高頻率進行限制的處理。這些都只能使用模擬濾波器。RC有源濾波器是模擬濾波器中最實用、應(yīng)用范圍最廣泛的濾波器。其標(biāo)準(zhǔn)化電路的種類很少，僅使用及R、C元件，因此非常便于集成，這給推廣應(yīng)用帶來革命性影響。因為不使用電感、特別是大型電感，也因為運放在性能的飛速提高的同時價格卻一降再降，所以在成本方面有源濾波器已經(jīng)變得比無源濾波器還有優(yōu)勢。在這個課題的研究中我們也同時認(rèn)識到，小型化和集成化推動了RC有源濾波的發(fā)展，雖然集成電阻的精度和穩(wěn)定性都很差，但在小信號處理方面，RC有源濾波器依然具有成本少，電路體積小，性能穩(wěn)定、易于調(diào)試、負(fù)載效應(yīng)小等諸多優(yōu)勢，因此仍在市場占主要份額[5]。本文基于這一點由淺入深地介紹了低階乃至高階濾波器的工作原理及結(jié)構(gòu)，以及高階濾波器的幾種逼近響應(yīng)與設(shè)計方法，在不同的開發(fā)環(huán)境下設(shè)計方案的優(yōu)劣對比。以基于實現(xiàn)巴特沃斯逼近的帶通波器設(shè)計為例，完成了其設(shè)計過程，并簡要介紹了兩款TI公司的電子仿真軟件TinaTi與Filter Pro，在典型有源濾波器的設(shè)計上具有一定的指導(dǎo)意義。 在本課題的設(shè)計過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，對高電阻精度的要求，以及改變參數(shù)時需要更換元件的不易性，都限制了基于模擬集成電路設(shè)計的有源濾波器的發(fā)展。一個合適的解決方案是采用開關(guān)電容濾波器。開關(guān)電容濾波器(Switched Capacitor Filter簡稱SCF)無需更換元件，只需改變時鐘頻率和編程引腳電平就可以在一定的范圍內(nèi)改變?yōu)V波器的中心頻率和Q值，這給濾波器的設(shè)計、使用帶來很大方便[6]。但同時，SC濾波器受開關(guān)噪聲和時鐘噪聲影響，在沒有輸入信號的情況下，輸出有比較大的噪聲信號。本文僅在此提出一種基于有源濾波器缺陷上的解決方案，不再做進一步的探討。1 帶通濾波器簡介及設(shè)計方案 濾波器簡介濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。工程上常用它來做信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。它是由集成運放和R、C 組成的有緣濾波電路的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）都可視為是一種濾波器。因為，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)，諸如機械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對所通過的信號進行變換與處理。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視[7]。濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種： （1） 按處理信號類型分類，可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分類。實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。（2） 按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3） 按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別，比較特殊的有梳形濾波器，梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶[9]?；诒菊n題的討論范圍，以下僅對有源帶通濾波器做進一步的介紹。 有源帶通濾波器的設(shè)計要求指標(biāo) 帶寬要求：490Hz~510Hz；中心頻率：500Hz；中心頻帶增益：=1；帶外抑制比要求：=40dB/dec。 方案的選擇與討論 在多數(shù)有源帶通濾波器的設(shè)計當(dāng)中，低階（一、二階）帶通濾波器的直接設(shè)計，高階（三階及以上）帶通濾波器的級聯(lián)設(shè)計占了主流。低階有源帶通濾波器在高精度要求下的濾波效果不夠好，但設(shè)計簡單，系統(tǒng)較高階濾波器受外界的影響更小。而高階有源帶通濾波器一般無法靠人工計算設(shè)計得來，需借助專業(yè)設(shè)計軟件如Matlab、Filter Pro等進行設(shè)計，但在濾除雜波性能上更為理想。 在低階帶通濾波器范疇中，為適應(yīng)不同的工作場合，各種不同結(jié)構(gòu)的帶通濾波器廣為應(yīng)用，其中典型的有KRC帶通濾波器、多重反饋帶通濾波器、狀態(tài)變量帶通濾波器、雙二階帶通濾波器等。而高階濾波器的設(shè)計方案需在相應(yīng)軟件的基礎(chǔ)上選取合適的近似響應(yīng)，不同的近似響應(yīng)會得到不同的幅頻特性曲線。例如基于巴特沃茲近似的高階帶通濾波器能夠在通頻帶得到最平坦的響應(yīng)；而切比雪夫近似則是以犧牲通頻帶的平坦性為代價換取陡峭的過渡帶特性；考爾近似更是將截止帶的平坦度一并犧牲帶來換取更為理想的過渡帶特性。此外還有其他的近似響應(yīng)，但這種三種響應(yīng)已包含了較大