畢業(yè)設(shè)計(jì)-二階rc有源濾波器的設(shè)計(jì)-wenkub
2022-12-14 19:52:18 本頁(yè)面
【正文】 典型的二階有源濾波電路：巴特沃斯二階有源低通濾波器、巴特沃斯 二階有源高通濾波器、二階有源帶通濾波器，研究和設(shè)計(jì)其電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再利用 multisim 軟件進(jìn)行仿真，組裝和調(diào)試各種有源濾波器，探究其幅頻特性。濾波器按元件分類(lèi)可分為無(wú)源濾波器與有源濾波器等，有源濾波器一般由集成運(yùn)放與 RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。由于運(yùn)放的增益和相移均為頻率的函數(shù)，這就限制 了 RC 有源濾波器的頻率范圍，一般工作頻率為 20kHz 左右，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，工作頻率也限制在 100kHz 以?xún)?nèi)。 由 RC有源濾波器為原型的各類(lèi)變種有源濾波器去掉了電感器，體積小， Q值可達(dá) 1000，克服了 RLC無(wú)源濾波器體積大， Q值小的缺點(diǎn) 。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第二章 總方案設(shè)計(jì) 方案框圖 圖 21 RC 有源濾波總框圖 各部分電路的作用 RC 網(wǎng)絡(luò)的作用 在電路中 RC 網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻帶內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無(wú)窮大的衰減。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶 沿的陡變）。 無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。 運(yùn)放的要求 在無(wú)特殊要求的情況下， 可選用通用型運(yùn)算放大器。如果濾波器工作于超低頻，以至使 RC 網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過(guò) 100kΩ，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。 電阻的選擇 :根據(jù)電容的確定和規(guī)定的截止頻率和帶內(nèi)增益以及參數(shù)計(jì)算得的結(jié)果和市場(chǎng)上所出售的情況而選擇，詳見(jiàn)附錄清單。 由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實(shí)現(xiàn)，只能用實(shí)際的幅頻特性逼近。 （ a）低通 （ b）高通 (c) 帶通 圖 31 濾波電路的幅 頻特性示意圖 有源濾波器的傳輸函數(shù) 表 1 二階 RC 濾波器的傳輸函數(shù)表 類(lèi)型 傳輸函數(shù) 性能參數(shù) 低通 —— 電壓增益 —— 低、高通濾波器的截止角頻率 —— 帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率 BW—— 帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通 帶通 6 單元電路的設(shè)計(jì) 二階 RC 有源低通濾波器 (LPF)的設(shè)計(jì) （ 1）低通濾波器特性 低通濾波器是用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào) 。 (a)電路圖 (b)頻率特性 圖 32 二階低通濾波器 （ 2）電路性能參數(shù) 二階低通濾波器的 通帶增益 截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。由于將 接到輸出端，等于在高頻端給 LPF 加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。 (a) 電路圖 (b) 幅頻特性 圖 33 二階高通濾波器 （ 2）電路性能參數(shù)： 二階高通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 圖 33（ b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線，它與二階低通濾波器的幅頻特性曲線有“鏡像”關(guān)系。 (a) 帶通濾波器原理框圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 （ b）電路圖 (c)幅頻特性 圖 24 二階帶通濾波器 （ 2）電路性能參數(shù) Aup=Aup1+Aup2 二階帶通濾波器的通帶增益 fH=1/(2π R1C1） 二階低通濾波器的截止頻率 FL=1/(2π R2C2) 二階高通濾波器的截止頻率 F0=（ fH+fL） /2 中心頻率 Q=f0/(fHfL） 品質(zhì)因數(shù)，其大小影響濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀 （ 3）參數(shù)計(jì)算： 從圖 24中我們知道此帶通濾波器是由高通和低通濾波器串聯(lián)而成，設(shè)其頻帶為B=800Hz—— ,其中高通濾波器的截止頻率為帶通濾波器的上限頻率，低通濾波器的截止頻率為帶通濾波器的下限頻率，設(shè)電壓增益 Aup=4，則高通和低通濾波器的電壓增益各為 Aup=2。 Multisim 是一種優(yōu)秀而易學(xué)的 WDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件，與其他仿真分析軟件相比， EWB 的最顯著特點(diǎn)就是提供了一個(gè)操作簡(jiǎn)便且與實(shí)際相似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 應(yīng)用 Multisim，便于實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊練的教學(xué)模式，使“電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)變得更有趣而容易。其中 R2， R3 均為 39 kΩ， C1， C2 均為 10nF。 42 利用示波器得到的二階低通濾波器電路的輸入輸出波形 圖 42為輸入 信號(hào)頻率為 1 kHz，幅度為 12 V 時(shí)二階低通濾波器電路的輸入輸出情況。幅度大的為輸入信號(hào)，幅度小的為輸出信號(hào)。 調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為 800 Hz， 600 Hz， 400 Hz， 300 Hz， 200 Hz， 150 Hz， 1 Hz。參數(shù)設(shè)置如下：起始頻率為 10Hz，終止頻率為 10MHz，掃描方式使用十進(jìn)制，縱坐標(biāo)以 dB為刻度，在 Output variables 中選擇輸出節(jié)點(diǎn)，然后點(diǎn)擊 simulate 進(jìn)行仿真分析，得到電路的幅頻特性曲線如圖所示 : 圖 44 二階低通濾波器交流小信號(hào)分析圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 二階高通濾波器 圖 45 二階高通濾波電路
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