基于運(yùn)算放大器的帶通濾波器的設(shè)計(jì)與物理實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文-wenkub
2023-04-22 01:53:48 本頁面
【正文】 計(jì)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(jì)…………………………………………………………4 運(yùn)算放大器簡介…………………………………………………………………4 理想運(yùn)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(jì)…………………………………………………………14 濾波器近似………………………………………………………………………14 基于Filter Pro的級聯(lián)設(shè)計(jì)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(xiàn)…………………………………………………………………………………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(jìn)程的不斷推進(jìn)，數(shù)字濾波器越來越廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域之中。RC有源濾波器是模擬濾波器中最實(shí)用、應(yīng)用范圍最廣泛的濾波器。本文基于這一點(diǎn)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(jì)方法，在不同的開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣對比。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(jì)、使用帶來很大方便[6]。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(jìn)行頻譜分析。因?yàn)椋魏窝b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。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。（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。 方案的選擇與討論 在多數(shù)有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，低階（一、二階）帶通濾波器的直接設(shè)計(jì)，高階（三階及以上）帶通濾波器的級聯(lián)設(shè)計(jì)占了主流。而高階濾波器的設(shè)計(jì)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。2 低階有源帶通濾波器設(shè)計(jì) 運(yùn)算放大器簡介術(shù)語運(yùn)算放大器（operational amplifier），或簡稱為op amp，是在1947年由John ，用于代表一種特殊類型的放大器，經(jīng)由恰當(dāng)選取的外部元件，它能夠構(gòu)成各種運(yùn)算，如放大、加、減微分和積分。運(yùn)算放大器第一次顯著小型化是由于雙極性結(jié)性晶體管（BJT）的出現(xiàn)，這導(dǎo)致了用分立BJT實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器放大器模式的整個一代。無論競爭如何激烈，從價格優(yōu)勢而不是從高性能上來看，741仍然是最為流行的一種。今天批量采購一塊運(yùn)算放大器的價格可與大多傳統(tǒng)的和稍欠高檔的元件（如微調(diào)電容器，質(zhì)量好的電容器和精密電阻器）的價格相比擬。增益也用分貝（db）表示為20lg200000=106db。圖21展示出運(yùn)算放大器的符號和為使他工作的電源連接。圖21 運(yùn)算放大器等效運(yùn)算電路其中增益稱為無載增益，因?yàn)樵谳敵霾患虞d時有 （21）式21表明，運(yùn)算放大器僅對它的輸入電壓之間的差作出響應(yīng)，而不對它們的單個值響應(yīng)，因此運(yùn)算放大器也稱為差分放大器。 理想運(yùn)算放大器我們知道，為了使加載效應(yīng)最小，一個精心設(shè)計(jì)的電壓放大器必須從輸入源中流出可以忽略的電流（理想情況為零），并且對輸出負(fù)載來說必須呈現(xiàn)出可以忽略的電阻（理想為零）。我們還知道，理想運(yùn)算放大器在它的輸入端是不吸取電流的，所以這個表面上看起來短路的又不產(chǎn)生任何電流，這稱為輸入電流約束（input current constraint）性質(zhì)。 利用傳遞函數(shù)分析低階有源濾波器在了解運(yùn)算放大器后，分析有源濾波器就容易得多了。一個電路的特性行為唯一地由它的傳遞函數(shù)H(s)來表征。因?yàn)?1/,這一結(jié)果就是其幅度和相位隨頻率變化的增益。再令得出 （210） = = （211）式中稱為中頻增益。這個反饋是由用于提升在附近的響應(yīng)的。因而可以寫作 （217）在節(jié)點(diǎn)將電流相加，即 （218）圖24 多重反饋帶通濾波器消去,并令，然后整理可得 （219）為了把這個函數(shù)表示成的標(biāo)準(zhǔn)形式，令，從而得到 （220）再令，得到 （221）最后令，得到 （222）顯然這個濾波器屬于反相濾波器類型，習(xí)慣上令由此上式可簡化為 （223）相應(yīng)的設(shè)計(jì)方程為 （224）將諧振增益幅度值簡記為，可以看出，隨著Q值得增加，其值呈二次增加，若希望,，用一個電壓分壓器來取代。由于本論題所要求的品質(zhì)因數(shù)，那么在低階濾波器范疇中，我們還找的到合適的解決方案嗎？以狀態(tài)變量和雙二階濾波器一類為代表的多運(yùn)算放大器濾波器給出了問題的答案。這個電路是因?qū)崿F(xiàn)了一個二階微分方程而這樣命名。結(jié)果就是 （230）上述推導(dǎo)過程說明了一些有意思的性質(zhì)：首先，帶通響應(yīng)可以通過對高通響應(yīng)積分得到，接下來，低通可由對帶通的積分產(chǎn)生；其次，因?yàn)閮蓚€傳遞函數(shù)的乘積對應(yīng)于伯德圖的相加，又因?yàn)榉e分器伯德圖的斜率是一常數(shù)20db/dec，所以帶通濾波器伯德圖可由高通濾波器伯德圖順時針旋轉(zhuǎn)20db/dec獲得，低通伯德圖可由對帶通伯德圖做類似旋轉(zhuǎn)獲得。采用金屬膜電阻和聚苯乙烯或聚碳酸酯電容，以及適當(dāng)?shù)嘏月愤\(yùn)算放大器的供電都可以獲得最好的結(jié)果。第
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