二阶RC有源滤波器的设计!!

二阶RC有源滤波器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 摘 要：滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制（或衰减）无用频率信号的电子电路或装置，在工程上常用它来进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。有源滤波器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，但因受运算放大器频率限制，这种滤波器主要用于低频范围。本次毕业设计主要是在所学《模拟电子技术基础》、《集成电路》等专业知识的基础上研究和设计几种典型的二阶有源滤波电路：巴特沃斯二阶有源低通滤波器、巴特沃斯二阶有源高通滤波器、二阶有源带通滤波器，研究和设计其电路结构、传递函数，并对有关参数进行计算，再利用multisim 软件进行仿真，组装和调试各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，本次设计的二阶RC有源滤波器各测量参数均与理论计算值相符，通频带的频率响应曲线平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，衰减率可达到|-40Db/10oct|,滤波效果很理想。 关键词：有源滤波器 二阶 RC 频率 Abstract：Filter is a kind of can make useful frequency signal through,While suppressing ( or attenuation) useless frequency signal electronic circuit or device, commonly used in engineering to signal processing, data transfer or suppression of interference. Active power filter is composed of integrated operational amplifier, R, C composition, its open loop voltage gain and input impedance is very high, and low output impedance, an active filter circuit also has a voltage amplifying and buffering effect, but due to operational amplifier frequency limit, this filter is mainly used in low frequency range.This graduation design is mainly in the" analog electronic technology"," integrated circuit" and other professional knowledge based on research and design of several typical two order active filter circuit: Butterworth two, Butterworth two step active low pass filter active high-pass filter, two step active band-pass filter, research and design of its circuit structure, transfer function, and the related parameters are calculated, then the use of Multisim software simulation, assembly and commissioning of various active filter, explore its amplitude frequency characteristic.After simulation and debugging, the design of the two order active RC filter the measurement parameters and calculation results, the pass band frequency response curve is flat, no ups and downs, and in the stop band is decreased to zero, attenuation rate can reach | - 40dB / 10oct |, filtering effect is very ideal. Key words: Active power filter  Two order  RC  Frequency  Signal 第1章 前言 1.1 选题依据 近现代，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，滤波器的应用极为广泛，滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。滤波器按元件分类可分为无源滤波器与有源滤波器等，有源滤波器一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。 本次毕业设计，我根据自己所学专业知识和兴趣爱好，采用《模拟电子技术》和《集成电路》等相关知识来完成有源滤波器的设计。 1.2 有源滤波器的发展概况及现状 1965年单片集成运算放大器的问世，为有源滤波器开辟了广阔的前景；70年代初期，有源滤波器发展引人注目，1978年单片RC有源滤波器问世，为滤波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20kHz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100kHz以内。1974年产生了更高频的RC有源滤波器，使工作频率可达GB/4（GB为运放增益与带宽之积）。由于R的存在，给集成 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 造成困难，于是又出现了有源C滤波器：就是滤波器由C和运放组成。这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源C滤波器的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关。 由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%～30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。 1.3 设计技术指标 (1) 设计二阶RC有源低通滤波器：通带增益AUF=1.6；品质因数Q=0.707；截止频率fH =400Hz；阻带衰减：不小于︳-40dB/10oct |； (2) 设计二阶RC有源高通滤波器：通带增益AUF=1.6；品质因数Q=0.707；截止频率fL =2kHz；阻带衰减：不小于︳-40dB/10oct |； (3) 设计二阶RC有源带通滤波器：通带增益AUF=4；中心频率：fO =1.24kHz；带宽:800Hz-1.6kHz；  阻带衰减：不小于︳-40dB/10oct |。 第二章 总方案设计 2.1方案框图      反馈网络 图2-1  RC有源滤波总框图 2.2各部分电路的作用 2.2.1 RC网络的作用 在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。 2.2.2 放大器的作用 电路中运用了同相输入运放，其闭环增益  RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 2.2.3 反馈网络的作用  将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。 2.3 方案选择 滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的频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。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此我们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。 滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的衰减速度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。 2.3.1关于滤波器类型的选择 由于巴特沃斯滤波器通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带内则逐渐下降为零，在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率的增加而逐渐减少，趋向负无穷大，本次我选择设计巴特沃斯二阶有源低通滤波器和高通滤波器；而带通滤波器要求通带较宽时，用低通滤波器和高通滤波器串联组成比直接用环型带通滤波器要好。 2.3.2级数选择 一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)，根据带外衰减特性的要求，我选择二阶滤波器。 2.3.3 运放的要求 在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈以保证所需滤波特性，运放的开环增应在80dB 以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中为滤波通带的传输系数。 如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100kΩ，则应选低漂移高输入阻抗的运放。本电路选择了八管脚的UA741单运放,其管脚图和内部结构图如下: 图2-2 UA741引脚图 2.3.4 元器件的选择 电容的选择:一般设计滤波器时都要给定截止频率fc (ωc)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，详见附录 清单 安全隐患排查清单下载最新工程量清单计量规则下载程序清单下载家私清单下载送货清单下载 。 电阻的选择:根据电容的确定和规定的截止频率和带内增益以及参数计算得的结果和市场上所出售的情况而选择，详见附录清单。 第三章：有源滤波器的设计 3.1有源滤波器的基本概念 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)等滤波器，它们的幅频特性如图3-1所示。 由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。 （a）低通                                图3-1 　滤波电路的幅频特性示意图 3.2有源滤波器的传输函数 表1  二阶RC滤波器的传输函数表 类型 传输函数 性能参数 低通 ——电压增益 ——低、高通滤波器的截止角频率 ——带阻塞、带阻滤波器的中心角频率 BW——带通、带阻滤波器的带宽 高通 带通       3.3 单元电路的设计 3.3.1 二阶RC有源低通滤波器(LPF)的设计 （1）低通滤波器特性 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图3-2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图3-2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 (a)电路图                    (b)频率特性 图3-2  二阶低通滤波器 （2）电路性能参数