176
实验八 有源滤波器的设计
一．实验目的
1． 学习有源滤波器的设计方法。 2． 掌握有源滤波器的安装与调试方法。 3． 了解电阻、电容和Q 值对滤波器性能的影响。
二．预习要求
1． 根据滤波器的技术指标要求，选用滤波器电路，计算电路中各元件的数值。设计出 满足技术指标要求的滤波器。
2. 根据设计与计算的结果，写出设计报告。
3. 制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。
三．设计方法
有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为：
n
c
uo u A j A 21)(???
? ??+=
ωωω ， n=1，2，3，. . . （1）
写成：
n
c
uo
u A j A 211)
(???
? ??+=ωωω （2） )(ωj A u
其中A uo 为通带内的电压放大倍数，ωC A uo 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。从（2）
式中可知，当ω=0时，（2）式有最大值1； 0.707A uo
ω=ωC 时，（2）式等于0.707，即A u 衰减了3dB ；n 取得越大，随着ω的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性。如图1所示。ω 当 ω>>ωC 时，
n
c uo u A j A ???
?
??≈ωωω1
)( （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线
177
两边取对数，得： lg
20c
uo u n A j A ωω
ωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。
表1列出了归一化的、n 为1 ~ 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。
在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，S L = c
s
ω，ωC 是低通
滤波器的截止频率。
对于一阶低通滤波器，其传递函数： c
c
uo u s A s A ωω+=
)( （5）
归一化的传递函数： 1
)(+=
L uo
L u s A s A （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数：2
22)(c c
c uo u s Q
s A s A ωωω++
=
（7）
归一化后的传递函数： 1
1)(2
++=
L L uo
L u s Q
s A s A （8）
由表1可以看出，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n 为偶数的高阶滤波器，可以由
2n 节二阶滤波器级联而成；而n 为奇数的高阶滤波器可以由2
1-n 节二
178
阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。
有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n ，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：
1．根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n 。 2．选择具体的电路形式。
3．根据电路的传递函数和表1归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方 程组。
4．解方程组求出电路中元件的具体数值。
5．安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。
注：
巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。
切比雪夫（chebyshev ）滤波器：误差值在规定的频段上等波纹变化。
理想滤波器很难实现，因此人们常用逼近近似的方法实现。常用的方法有：巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应。在不允许带内有波动时，采用巴特沃斯响应较好；如果给定带内所允许的波纹差，则采用切比雪夫响应比较好。
压控电压源（VCVS ）电路的优点是电路性能比较稳定，增益容易调节
例1．要求设计一个有源低通滤波器，指标为：
截止频率 f C =1kHz ，
通带电压放大倍数：A uo =2，
在f = 10f c 时，要求幅度衰减大于30dB 。 设计步骤
1）由衰减估算式：-20ndB/+倍频，算出n = 2。
2）选择附录中图3电路作为低通滤波器的电路形式。 该电路的传递函数： 2
22)(c c
c uo u s Q
s A s A ωωω++
=
（9）
其归一化函数： 1
1)(2
++=
L L uo
L u s Q
s A s A （10）
将上式分母与表1归一化传递函数的分母多项式比较得：
21
=Q
179
通带内的电压放大倍数： 3
4
1R R A A f uo +
===2 （11） 滤波器的截止角频率：c c f C C R R πω212
121==
=3102?π （12）
2
212111
)
1(11C R A C R C R Q
uo c
-++=
ω21023??=π （13） 4321//R R R R =+ （14）
在上面四个式子中共有六个未知数，三个已知量，因此有许多元件组可满足给定特性的
要求，这就需要先确定某些元件的值，元件的取值有几种：
① 当A f =1时，先取R 1=R 2=R ，然后再计算C 1和C 2。 ② 当A f ≠1时，取R 1=R 2=R ，C 1=C 2=C 。
③ 先取C 1=C 2=C ，然后再计算R 1和R 2。此时C 必须满足：)(10
21F f C C C c
μ=== ④ 先取C 1，接着按比例算出C 2=KC 1，然后再算出R 1和R 2的值。 其中K 必须满足条件：K ≤A f -1+
2
41Q 对于本例，由于A f =2，因此先确定电容C 1=C 2的值，即取： F F F f C C C μμμ01.0)(10
10
)(103021===
==， 将C 1=C 2=C 代入（12）和（13）式，可分别求得： Ω?=????==
3
16
311026.1110
01.021021πωC Q R c Ω?=???=
=
-3
6
321052.2210
01.010221πωC
Q R c Ω?=?+?=+=3
3
2141056.6710)52.2226.11(2)(R R A R f
Ω?=-?=-=33
431056.671
21056.671f A R R
例2．要求设计一个有源高通滤波器，指标要求为：
180
截止频率 f C =500Hz ，
通带电压放大倍数为：A uo =1 R
R 在f =0.1f C 时，要求幅度衰减大于设计步骤：o 1) 由衰减估算式：-20ndB/十倍频算出n = 3。 2) 选择附录中图5电路再加上一级一阶高通滤波电路构成该高通滤波器。
如图2所示： 图2 三阶压控电压源高通滤波器 该电路的传递函数： )()()(21s A s A s A u u u ?= 2
221
1
22
1c uo c c uo s s
A s Q
s s A ωωω+?
++
=
（15）
将上式归一化： )
1()11()(2
L L L uo
L u s s s Q
A s A +?++=
（16）
将上式分母与表1归一化传递函数的分母多项式比较得：
11
=Q
因为通带内的电压放大倍数为： 121=?=uo uo uo A A A 所以取： 121==uo uo A A
第一级二阶高通滤波器的截止角频率： c c f C C R R πω212
1211==
=5002?π=c ω （17）
1
1122121
1
)
1(11C R A C R C R Q
uo c -++=
ω15002??=π （18） 第二级一阶高通滤波器的截止角频率：3
321
C R c =
ω=c c f πω2= （19） 上面三个式子中共有六个未知数，先确定其中三个元件的值，
181
取： F F F f C C C C c μμμ02.0)(500
10)(10321===
=== 将C 1=C 2=C 3=C 代入（17）、（18）和（19）式，可求得： Ω?=?????=
=
-36
1110962.710
02.05002121
21πωC
Q R c Ω?=????==
-3
6
121085.311002.05002122πωC Q R c Ω?=???=
=
-36
231092.1510
02.050021
1
πωC
R c 为了达到静态平衡，减小输入偏置电流及其漂移对电路的影响：
取： Ω?==3241085.31R R Ω?==3351092.15R R
例3．要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率 Hz f 5000=
通带中心频率处的电压放大倍数：10=uo A 带宽：Hz f 50=? 设计步骤： 1） 选用附录中图8电路。
2） 该电路的传输函数：2
2)(o
o o uo
u s Q
s s
Q
A s A ωωω++
=
（20）
品质因数： f
f Q ?=
01050500== （21） 通带的中心角频率：5002111
21
2
3?=???? ??+=
πωR R C R o （22）
182
通带中心角频率o ω处的电压放大倍数：1021
3
-=-
=R R A uo （23）
3
2
CR Q
=
ω （24） 取F F F f C μμμ02.0)(500
10)(100===
，则： Ω?=??-??-=-
=-3
6
011092.15500
2)10(1002.010πωuo CA Q R 032ωC Q R =
Ω?=????=-3
6
105.318500
21002.0102π Ω=-?????=+=
-838)
10102(50021002.010
)2(2
6202πωuo A Q C Q R 例4．要求设计一个有源二阶带阻滤波器，指标要求为： 通带中心频率： Hz f 5000= 通带电压放大倍数：1=uo A 带宽：Hz f 50=?
设计步骤：
1）选用附录中图9电路。 2）该电路的传递函数：
2
21222122121)(C R R s C R s R R C s A s A f u ++????
??+=
2222
)(o
o
o uo s Q s s A ωωω+++= （25） 其中，通带的电压放大倍数：1==uo f A A 阻带中心处的角频率为：O o f C
R R πω21
2
21==
5002?=π （26）
183
品质因数： 1050
5000==?=
f f Q （27） 阻带带宽： C
R Q
BW 20
2
=
=
ω （28）
2
131
11R R R +
= （29） 取：F F F f C μμμ02.0)(500
10)(100===
， 则： Ω=?????=
=
-2.79610
02.050021021
216
01πωC
Q R Ω?=????==
-3
6
02105.31810
02.050021022πωC Q R Ω=?+??=+=2.79410
5.3182.796105.3182.7963
3
21213R R R R R
四．实验内容与方法
（一） 按以下指标要求设计滤波器，计算出电路中元件的值 1．设计一个低通滤波器，指标要求为：
截止频率：kHz f c 1= 通带电压放大倍数： 1=uo A
在c f f 10=时，要求幅度衰减大于35dB 。 2．设计一个高通滤波器，指标要求为：
截止频率：Hz f c 500=， 通带电压放大倍数：5=uo A
在c f f 1.0= 时，幅度至少衰减30dB 。
184
3．（选作）设计一个带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率：kHz f 10= 通带电压放大倍数：2=uo A 通带带宽：Hz f 100=?。
（二） 将设计好的电路，在计算机上进行仿真
（三） 按照所设计的电路，将元件安装在实验板上。 （四） 对安装好的电路按以下方法进行调整和测试
1．仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。
2．在电路的输入端加入U i =1V 的正弦信号，慢慢改变输入信号的频率（注意保持U i 的值不变），用晶体管毫伏表观察输出电压的变化，在滤波器的截止频率附近，观察电路是否具有滤波特性，若没有滤波特性，应检查电路，找出故障原因并排除之。
3．若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。对于低通和高通滤波器应观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求，应根据有关的公式，确定应调整哪一个元件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。然后观测电压放大倍数是否满足设计要求，若达不到要求，应根据相关的公式调整有关的元件，使其达到设计要求。 4．当各项指标都满足技术要求后，保持U i = 2V 不变，改变输入信号的频率，分别测量滤波器的输出电压，根据测量结果画出幅频特性曲线，并将测量的截止频率c f 、通带电压放大倍数uo A 与设计值进行比较。
五．实验报告要求
按以下内容撰写实验报告：
1． 实验目的
2． 根据给定的指标要求，计算元件参数，列出计算机仿真的结果。 3． 绘出设计的电路图，并标明元件的数值。 4． 实验数据处理，作出A u ~ f 曲线图。
5． 对实验结果进行分析，并将测量结果与计算机仿真的结果相比较。
附录
有源二阶滤波电路的形式与特点
常用的有源二阶滤波电路有压控电压源二阶滤波电路和无限增益多路负反馈二阶滤波电路。
压控电压源二阶滤波电路的特点是：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，
185
输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。
无限增益多路负反馈二阶滤波电路的特点是：
运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。
（一）有源二阶低通滤波电路
1．压控电压源二阶低通滤波电路 电路如图3所示。其传输函数为：
2
12122121122
1211
1)1(111)(R R C C s C R A C R C R s R R C C A s A uo uo
u +???? ??-+++=
2
22
c c
c uo s Q
s A ωωω++
=
其归一化的传输函数： 1
1)(2
++=
L L uo
L u s Q
s A s A
其中： c
L s
s ω=
，Q 为品质因数
通带内的电压放大倍数： 3
4
1R R A uo +
= 滤波器的截止角频率：c c f C C R R πω212
121==
2
212111
)
1(11C R A C R C R Q
uo c
-++=
ω 为了减少输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使： 4321//R R R R =+ 将上述方程与3
4
1R R A uo +
= 联立求解，可得： )(214R R A R f += 1
4
3-=
f A R R
186
u u o u i o
图3 压控电压源二阶有源低通滤波器 图4 无限增益多路负反馈二阶低通滤波电路
2．无限增益多路负反馈二阶低通滤波电路 电路如图4所示，其传输函数为：
3
221321122
121111111
)(R R C C s R R R C s R R C C s A u +???? ??+++-
=
222c c c uo s Q s A ωω++= 其归一化的传输函数： 1
1)(2
++=
L L uo
L u s Q
s A s A
其中： c
L s
s ω=
，Q 为品质因数。
通带内的电压放大倍数： 1
3
R R A uo -
= 滤波器的截止角频率： c c f C C R R πω212
132==
（二）有源二阶高通滤波器
1．压控电压源二阶高通滤波器 电路如图5所示，其传输函数为： 2
12111221222
1
1)1(11)(R R C C s C R A C R C R s s A s A uo uo u +???? ??-+++=
2
22
c c
uo s Q
s s A ωω++
=
归一化的传输函数： 1
1)(2
++=
L L uo
L u s Q
s A s A
187
其中： s
s c
L ω=
，Q 为品质因数。
通带增益： 3
4
1R R A uo +
= 截止角频率： c c f C C R R πω212
121==
1
122121
)
1(11C R A C R C R Q
uo c
-++=
ω R
R
u i u o u o
图5压控电压源二阶高通滤波器 图6 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 2．无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 电路如图6所示,该电路的传输函数为：
2
1322332122
2
2
11111)(R R C C C C C C C R s s C C s A u +???? ??+++-
=
2
22
c c
uo s Q
s s A ωω++
=
归一化的传输函数： 1
1)(2
++=
L L uo
L u s Q
s A s A
其中： s
s c
L ω=
,通带增益： 3
1
C C A uo -
= 截止角频率： c c f C C R R πω212
321==
188
???? ??++=
323
212
111C C C C C R Q
c
ω （三）有源二阶带通滤波器
1．压控电压源二阶带通滤波器
电路如图7所示，电路的传输函数为：
????
??++???
? ??-+++
=
212321321111)1(1121)(R R C R s A R R R C s s
C
R A s A f f
u 2
2o
o
o
uo s Q
s s
Q
A ωωω++
=
上式中：21ωωω?=o 是带通滤波器的中心角频率。1ω、2ω分别为带通滤波器
的高、低截止角频率。 中心角频率：???? ??+=
212
3111R R C R o ω 、 ???
? ??-++=)1(11212130f A R R R C Q ω 中心角频率o ω处的电压放大倍数： ?
??
???+-+=
32
111)1(11R A R R R A A f f
uo
上式中： 4
5
1R R A f +
= 通带带宽：12ωω-=BW 或 12f f f -=?
???
? ??-++==
)1(1
1212130
f A R R R C Q BW ω f
f BW
Q ?=
=
ω 时）0(ω< R u i u o u o 189 C R 3 R 2 R 2 图 7 压控电压源二阶带通滤波器 图8 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器 2．无限增益多路负反馈二阶带通滤波器 电路如图8所示，电路的传输函数： ???? ??+++ - = 21 3232111121)(R R R C s C R s s C R s A u 2 2o o o uo s Q s s Q A ωωω++ = 上式中：21ωωω?= o 为带通滤波器的中心角频率。1ω、2ω分别为带通滤波器 的高、低截止角频率。 中心角频率： ???? ??+= 21 2 3111R R C R o ω 通带中心角频率o ω处的电压放大倍数： 1 3 2R R A uo - = 3 2 CR Q = ω 品质因数： f f BW Q ?= = ω 时）0(ω< 电路如图9所示。电路的传输函数： 2 21222122121)(C R R s C R s R R C s A s A f u ++???? ??+=2 222 )(o o o uo s Q s s A ωωω+++= 其中，通带电压放大倍数：1==uo f A A 2 131 11R R R += 阻带中心处的角频率： o o f C R R πω21 221== C R Q BW 20 2 = = ω 品质因数： 1 2 2 1R R Q = 2.无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器 该电路由二阶带通滤波器和一个加法器组成，如图10所示。电路的传输函数为： ???? ??+++?????????? ??++-=21 2332213224 61112111)(R R C R s C R s R R R C s R R s A u 2 222 ) (o o o uo s Q s s A ωωω++ += 图9 压控电压源二阶带阻滤波器 其中： 51432R R R R = 通带电压放大倍数：5 1634 62R R R R R R A uo - =- = 阻带中心角频率：???? ??+= 21 230111R R C R ω 阻带带宽： C R Q BW 30 2 = = ω 图10 无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器 191 数字信号处理 课程设计报告 设计名称：基于matlab的FIR数字滤波器设计 彪 一、课程设计的目的 1、通过课程设计把自己在大学中所学的知识应用到实践当中。 2、深入了解利用Matlab设计FIR数字滤波器的基本方法。 3、在课程设计的过程中掌握程序编译及软件设计的基本方法。 4、提高自己对于新知识的学习能力及进行实际操作的能力。 5、锻炼自己通过网络及各种资料解决实际问题的能力。 二、主要设计内容 利用窗函数法设计FIR滤波器，绘制出滤波器的特性图。利用所设计的滤波器对多个频带叠加的正弦信号进行处理，对比滤波前后的信号时域和频域图，验证滤波器的效果。 三、设计原理 FIR 滤波器具有严格的相位特性，对于信号处理和数据传输是很重要的。 目前 FIR滤波器的设计方法主要有三种：窗函数法、频率取样法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法。常用的是窗函数法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法。本实验中的窗函数法比较简单，可应用现成的窗函数公式，在技术指标要求高的时候是比较灵活方便的。 如果 FIR 滤波器的 h(n)为实数, 而且满足以下任意条件,滤波器就具有准确的线性相位： 第一种：偶对称，h(n)=h(N-1-n)，φ (ω)=-(N-1)ω/2 第二种：奇对称，h(n)=-h(N-1-n), φ(ω)=-(N-1)ω/2+pi/2 对称中心在n=(N-1)/2处 四、设计步骤 1.设计滤波器 2.所设计的滤波器对多个频带叠加的正弦信号进行处理 3.比较滤波前后信号的波形及频谱 五、用窗函数设FIR 滤波器的基本方法 基本思路：从时域出发设计 h(n)逼近理想 hd(n)。设理想滤波器的单位响应在时域表达为hd(n),则Hd(n) 一般是无限长的，且是非因果的，不能 模拟滤波器的设计 1. 设计一个巴特沃斯模拟低通滤波器，以满足：通带截止频率Hz f p 5=，通带最大衰减 3p dB α=，阻带截止频率Hz f s 12=，阻带最小衰减dB s 30=α。要求绘出滤波器的幅频特性曲线。 2. 设计一个巴特沃斯模拟高通滤波器，以满足：通带截止频率Hz f p 20=，通带最大衰减 dB p 3=α，阻带截止频率Hz f s 10=，阻带最小衰减30s dB α=。要求绘出滤波器的幅频特性曲线。 3. 设计一个巴特沃斯模拟带通滤波器，以满足：通带范围为10Hz ～25Hz ，阻带截止频率分别为5Hz 、30Hz ，通带最大衰减为3dB ，阻带最小衰减为30dB 。要求绘出滤波器的幅频特性曲线。 4. 设计一个巴特沃斯模拟带阻滤波器，以满足：通带截止频率分别为10HZ 、35HZ ，阻带截止频率分别为15HZ 、30HZ ，通带最大衰减为3dB ，阻带最小衰减为30dB 。要求绘出滤波器的幅频特性曲线。 fp=5; fs=12; rp=3; rs=30; wp=2*pi*fp; ws=2*pi*fs; [N,Wn]=buttord(wp,ws,rp,rs,'s'); [b,a]=butter(N,Wn,'s'); w=0:100; H=freqs(b,a,w); Hs=20*log10(abs(H)); plot(w/pi,Hs) xlabel('w/pi'); ylabel('Hs') fp=20; fs=10; rp=3; rs=30; wp=2*pi*fp; ws=2*pi*fs; [N,Wn]=buttord(wp,ws,rp,rs,'s'); 1 引言 近年来，公用电网受到谐波电流和谐波电压的严重污染，而电力电子装置是其主要的谐波污染源。随着电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重，谐波污染影响到供电质量和用户使用的安全性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。 滤波器在本质上是一种频率选择电路，通常用幅频响应和相位响应来表征一个滤波电路的特性。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通5类。有源滤波器采用有源器件需要使用电源，加上功耗较大且集成运放的带宽有限，因此目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，一般不能用于高频场合。但总的来讲有源滤波器在低频(低于1MHz)场合中使用有较无源滤波器更优的性能，因而目前在音频处理、工业测控等领域广泛应用。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。和传统的无源滤波器相比，有以下几点突出的优点： (1)对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数； (2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响； (3)不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化； (4)用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿； (5)不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。 由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，因而有很大的发展前途。 带阻滤波器设计原理计算 时间：2009-07-08 20:38:37 来源：资料室作者： 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。 滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： ①无源滤波器: 由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成 ②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。 从功能来上有源滤波器分为： 低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、 带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、 全通滤波器（APF）。 其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍 数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。 带阻滤波器（BEF） 如图1（a）所示，这种电路的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。 在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF。 (a) 电路 图 (b) 频率特性 图1二阶带阻滤波器 电路性能参数: 通带增益 中心频率 带阻宽度B＝2（2－Aup）f0 选择性 实验八 有源滤波器的设计 一．实验目的 1． 学习有源滤波器的设计方法。 2． 掌握有源滤波器的安装与调试方法。 3． 了解电阻、电容和Q 值对滤波器性能的影响。 二．预习要求 1． 根据滤波器的技术指标要求，选用滤波器电路，计算电路中各元件的数值。设计出 满足技术指标要求的滤波器。 2. 根据设计与计算的结果，写出设计报告。 3. 制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。 三．设计方法 有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： n c uo u A j A 21)(??? ? ??+= ωωω ， n=1，2，3，. . . （1） 写成： n c uo u A j A 211) (??? ? ??+=ωωω （2） )(ωj A u 其中A uo 为通带内的电压放大倍数，ωC A uo 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当ω=0时，（2）式有最大值1； 0.707A uo ω=ωC 时，（2）式等于0.707，即A u 衰减了3dB ；n 取得越大，随着ω的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性。如图1所示。ω 当 ω>>ωC 时， n c uo u A j A ??? ? ??≈ωωω1 )( （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线 两边取对数，得： lg 20c uo u n A j A ωω ωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 表1列出了归一化的、n 为1 ~ 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，S L = c s ω，ωC 是低通 滤波器的截止频率。 对于一阶低通滤波器，其传递函数： c c uo u s A s A ωω+= )( （5） 归一化的传递函数： 1 )(+= L uo L u s A s A （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数：2 22)(c c c uo u s Q s A s A ωωω++ = （7） 归一化后的传递函数： 1 1)(2 ++= L L uo L u s Q s A s A （8） 由表1可以看出，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n 为偶数的高阶滤波器，可以由2n 节二阶滤波器级联而成；而n 为奇数的高阶滤波器可以由2 1-n 节二 电子科技大学信息与软件工程学院学院标准实验报告 （实验）课程名称数字信号处理 电子科技大学教务处制表 电 子 科 技 大 学 实 验 报 告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间：14-18 一、实验室名称：计算机学院机房 二、实验项目名称：fir 低通滤波器的设计 三、实验学时： 四、实验原理： 1. FIR 滤波器 FIR 滤波器是指在有限范围内系统的单位脉冲响应h[k]仅有非零值的滤波器。M 阶FIR 滤波器的系统函数H(z)为 ()[]M k k H z h k z -==∑ 其中H(z)是k z -的M 阶多项式，在有限的z 平面内H(z)有M 个零点，在z 平面原点z=0有M 个极点. FIR 滤波器的频率响应 ()j H e Ω 为 0 ()[]M j jk k H e h k e Ω -Ω ==∑ 它的另外一种表示方法为 () ()()j j j H e H e e φΩΩΩ= 其中 () j H e Ω和()φΩ分别为系统的幅度响应和相位响应。 若系统的相位响应()φΩ满足下面的条件 ()φαΩ=-Ω 即系统的群延迟是一个与Ω没有关系的常数α，称为系统H(z)具有严格线性相位。由于严格线性相位条件在数学层面上处理起来较为困难，因此在FIR 滤波器设计中一般使用广义线性相位。 如果一个离散系统的频率响应 ()j H e Ω 可以表示为 ()()()j j H e A e αβΩ-Ω+=Ω 其中α和β是与Ω无关联的常数，()A Ω是可正可负的实函数，则称系统是广义线性相位的。 如果M 阶FIR 滤波器的单位脉冲响应h[k]是实数，则可以证明系统是线性相位的充要条件为 [][]h k h M k =±- 当h[k]满足h[k]=h[M-k],称h[k]偶对称。当h[k]满足h[k]=-h[M-k],称h[k]奇对称。按阶数h[k]又可分为M 奇数和M 偶数，所以线性相位的FIR 滤波器可以有四种类型。 2. 窗函数法设计FIR 滤波器 窗函数设计法又称为傅里叶级数法。这种方法首先给出()j d H e Ω， ()j d H e Ω 表示要逼近的理想滤波器的频率响应，则由IDTFT 可得出滤波器的单位脉冲响应为 1 []()2j jk d d h k H e e d π π π ΩΩ-= Ω ? 由于是理想滤波器，故 []d h k 是无限长序列。但是我们所要设计的FIR 滤波 器，其h[k]是有限长的。为了能用FIR 滤波器近似理想滤波器，需将理想滤波器的无线长单位脉冲响应 []d h k 分别从左右进行截断。 当截断后的单位脉冲响应 []d h k 不是因果系统的时候，可将其右移从而获得因果的FIR 滤波器。 、低通滤波器的设计 低通滤波器的设计是已知w。（-3dB截止频率）、H OLP（直流增益）、Q （在-3dB截止频率时的电压放大倍数与通带放大倍数数值之比）三个参数来设计电路，可选的电路形式为压控电压源低通滤波器和无限增益多路反馈低通滤波器。下面分别介绍： （一）二阶压控电压源低通滤波器 图1二阶压控电压源低通滤波器原理图 H OLP二K =1 空 R A Q (1 —K MRCJR2C2+ JR2C2/RG 由上式可知，可通过先调整R1来先调整w。，然后通过调整K来调整Q值。 对于巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔三种类型二阶LPF的Q值分别为0.707、1、0.56。 1、等值元件KRC电路设计 令& = & = R和G = C2 = c，简化上述各式，则 H OLP”1R A W。_ RC Q — 3- K 得出的设计方程为 W o R1C1 R2C2 1 R B 由上式可知，H OLP 值依赖于Q 值大小。为了将增益从现在的 A oid 降到另一个不同的值 A new , 应用戴维南定理，用分压器 R !A 和R IB 取代R I ，同时确保W o 不受替换的影响，需符合 下式： 电路连接如图2所示 图2二阶压控电压源低通滤波器等值法原理图 2、参考运算放大器应用技术手册 （1）选取C1 1 (3) 电容扩展系数m 二二 -(H OLP -1) 4Q 2 (4) C 2 二 mG (5) & =2QR R 2Qm (7)选取 R A ，则 R B (( H OLP -1) R A RC = (6) W o K Q =(K -1)R A R 1B R IA B = R 1 (2) 1 2%0 电磁波与微波技术 课程设计 ----带阻滤波器的设计与仿真 课题：带阻滤波器的设计与仿真 指导老师： 姓名： 学号： 目录 1.设计要求 (3) 2.微带短截线带阻滤波器的理论基础 (3) 2.1理查德变换 (4) 2.2科洛达规则 (6) 3.设计步骤 (7) 3.1ADS 简介 (7) 3.2初步设计过程 (8) 3.3优化设计过程 (14) 3.4对比结果 (17) 4.心得体会 (17) 5.参考文献 (18) 1．课程设计要求： 1.1 设计题目：带阻滤波器的设计与仿真。 1.2设计方式：分组课外利用ads软件进行设计。 1.3设计时间：第一周至第十七周。 1.4 带阻滤波器中心频率：6GHz；相对带宽：9%；带内波纹： <0.2dB。 1.5 滤波器阻带衰减>25dB；在频率5.5GHz和6.5GHz处，衰 减<3dB；输入输出阻抗：50Ω。 2．微带短截线带阻滤波器的理论基础 当频率不高时，滤波器主要是由集总元件电感和电容构成，但当频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件；其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。我们这次设计采用短截线方法，将集总元件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理查德变换用于将集总元件变换为传输段，科洛达规则可以将各滤波器元件分隔。 2.1 理查德变换 通过理查德变换，可以将集总元件的电感和电容用一段终端短路和终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元件到分布参数元件的变换。 在传输线理论中，终端短路传输线的输入阻抗为： 错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。（1.0） 式中 错误!未找到引用源。 当传输线的长度错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。时 错误!未找到引用源。 （1.1） 将式（1.1）代入式（1.1），可以得到 错误!未找到引用源。（1.2）式中 错误!未找到引用源。 （1.3） 称为归一化频率。 低通滤波器的设计 模拟滤波器在各种预处理电路中几乎是必不可少的，已成为生物医学仪器中的基本单元电路。有源滤波器实质上是有源选频电路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。各种生物信号的低噪声放大，都是首先严格限定在所包含的频谱范围之内。 最常用的全极点滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。就靠近ω=0处的幅频特性而言，巴特沃斯滤波器比切比雪夫滤波器平直，即在频率的低端巴特沃斯滤波器幅频特性更接近理想情况。但在接近截止频率和在阻带内，巴特沃斯滤波器则较切比雪夫滤波器差得多。本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，因此选择了巴特沃斯滤波器。巴特沃思滤波电路(又叫最平幅度滤波电路)是最简单也是最常用的滤波电路，这种滤波电路对幅频响应的要求是：在小于截止频率ωc。的范围内，具有最平幅度响应，而在ω>ωc。后，幅频响应迅速下降。 因为本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，所以选择 二阶滤波器即可。本系统采用二阶Butterworth低通滤波器，截止频率f H=100HZ，其电路原理图如1： 图1 低通滤波器图 根据matlab软件算得该设计适合二阶低通滤波器，FSF=628选Z=10000，则 Z R R FSF Z ?=?=的归一值的归一值 C C 3.2脉象信号的的前置放大 由于人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、存储、记录之前，应该进行一些预处理，以保证测量结果的准确性。因此需要对信号进行放大，“放大”在信号预处理中是第一位的。根据所测参数和所用传感器的不同，放大电路也不同。用于测量生物电位的放大器称为生物电放大器，生物电放大器比一般放大器有更严格的要求。 在本研究中放在传感器后面的电路就是前置放大电路，由于从传感器取得的信号很微弱，且混杂了一些其他的干扰信号。因此前置放大电路的主要功能是，滤除一些共模干扰信号，同时进行一定的放大。该电路由4部分构成：并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后继放大器和共模信号取样电路。并联型双运放仪器放大器的优点是不需要精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。集成仪用放大器将由并联型双运放仪器放大器输出的双端差动信号转变为单端输出信号，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，可以使集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比。共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运放构成的跟随器构成，能够使共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。此电路中也采用了右腿驱动电路来抑制位移电流的影响。前置放大电路参数选择：此部分总的增益取为1000，其中并联型双运放仪器放大器的增益为5,集成仪用放大器的增益为200。具体设计电路如图2所示 课程名称：电路与电子技术实验II 指导老师：沈连丰成绩：__________________ 实验名称：有源滤波器设计实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1、掌握有源滤波器的分析和设计方法。 2、学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法。 3、了解滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。 4、用EDA仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响。 二、实验内容和原理 1、滤波器的5个主要指标： (1) 传递函数A v(s) ：反映滤波器增益随频率的变化关系，也称为电路的频率响应、频率特性。 (2) 通带增益A v p：为一个实数。（针对LPF）、（针对HPF）、（针对BPF）、（针对BEF）。 (3) 固有频率f0：也称自然频率、特征频率，其值由电路元件的参数决定。 (4) 通带截止频率f p：滤波器增益下降到其通带增益A v p 的0.707倍时所对应的频率（也称–3dB 频率、半功率点、上限频率（ωH 、f H ）或下限频率（ωL 、f L ）。 (5) 品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同。例如，在低通和高通滤波器中，定义为当时增益的模与通带增益之比。 2、有源滤波器的设计流程： 设计一个有源低通滤波器时，一般可以先按照预定的性能指标，选择一定的电路形式，然后写出电路的电压传递函数，计算并选定电路中的各个元器件参数。最后再通过实验进行调试，确定实际的器件参数。 三、实验器材 运放LM358、 四、操作方法和实验步骤 1、实验内容 (1) 在实验板上安装所设计的电路。 (2) 有源滤波器的静态调零。 (3) 测量滤波器的通带增益A v p、通带截止频率f p。 (4) 测量滤波器的频率特性（有条件时可使用扫频仪）。 (5) 改变电路参数，研究品质因数Q 对滤波器频率特性的影响。 2、设计一个二阶有源低通滤波器。具体要求如下： (1) 通带截止频率：f p=1kHz； 模拟电路课程设计报告设计课题：二阶带阻滤波器的设计 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计时间： 题目二阶带阻滤波器的设计 一、设计任务与要求 1．截止频率f H＝2000Hz,f L=200Hz； 2．电压增益A V=1----2； 3．阻带衰减速率为-40dB/10倍频程； 4．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。 二、方案设计与论证 将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，就可以得到带阻滤波器，其中低通滤波器的截止频率fp1应小于高通滤波器的截止频率fp2,因此电路的阻带为（fp2-fp2).实用电路常利用无源LPF和HPF 并联构成带阻滤波器电路，然后接同向比例运算电路，从而得到有源带阻滤波器，由于两个无源滤波电路均由三个元件构成英文字母Ｔ，故称之为双Ｔ网络。 根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。根据课设要求，我们选择巴特沃斯（butterworth）滤波电路。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。由于要求为-40dB/十倍频程，选择二阶有源低通滤波器电路，即n=2。 方案一、压控电压源二阶带阻滤波器 这种电路的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF。电路图如下： 方案二、无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器 该电路由二阶带通滤波器和一个加法器组成 三、单元电路设计与参数计算 (1)直流电源部分 直流电源由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路四部分构成。 1、稳压电源的组成框图 2、电路图 3、整流、滤波电路 用四个整流二极管组成单相桥式整流电路，将交流电压Ｕ2变成脉动的直流 变 压 整 流 滤 波 稳 压 负 载 信号与系统课程设计报告——滤波器的设计与实现 一、课程设计准备 1.在课程学习中对于滤波器的认识 滤波器主要功能是对信号进行处理，保留信号中的有用成分，去除信号中的无用成分。其按处理的信号可分为数字滤波器和模拟滤波器，按频域特性分为低通、高通、带通、带阻滤波器，按时域特性可分为有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器。 低通滤波器：让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。 高通滤波器：让某一频率以上的信号分量通过，而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。 带通滤波器：是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。 2.对于使用的模拟软件的简单介绍 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 该软件可实现的仿真的内容： 1．器件建模及仿真； 2．电路的构建及仿真； 3．系统的组成及仿真； 4．仪表仪器原理及制造仿真。 5．器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件： 6. 模拟器件（二极管，三极管，功率管等）； 7. 数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD 等）； 在本次课设中，主要使用multisim的电路构建及仿真。 二、目标分析及思路过程 1.目标要求 本课程设计要求自己设计电路系统，构成低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。利用Matlab或PSPICE或PROTEL或其他软件仿真。 2.目标总体认识 对于课程设计题目，采用先画出电路图，再用仿真软件进行模拟的方式进行。在模电课的学习中，对于滤波器的电路设计有了初步认识，而在结束信号与系统的学习之后，对滤波器也有了进一步的了解，对课本上提供的范例加以剖析和应用，就更能加深对此处知识的了解。 3.局部设计思路 a.二阶有源低通滤波电路 低通滤波器电路设计与实现 摘要 滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其它频率则加以阻拦。目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高，所以需用大量的滤波器。再则，微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，像参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等一类器件都是多频率工作的，都需用相应的滤波器。低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。根据指标，本次设计选用有源二阶巴特沃斯低通滤波器可达到本次设计要求的指标，可调增益部分通过电压跟随器和反相放大器来实现可调增益。 关键词：低通滤波器，巴特沃斯滤波器，频率响应 Low-pass filter circuit design and Achieve Author: Shang Shiwei Tutor: Song Jiayou Abstract Filter is a kind of two-port network. It has the characteristics of frequency choice, that can make some frequency pass, but to other frequency is to stop, because now in radar, microwave, communication, and other departments, more work frequency is becoming more and more common, the requirements of the frequency of space also increase; So need a lot of filter. Moreover, the application of microwave solid device for the development of the filter can boost, as parameters amplifiers, microwave solid times frequency device, microwave solid mixers, kind of device is working frequency, need corresponding filter. Low pass filter is a through the low frequency signal and attenuation or inhibit the high frequency signal components. Ideal filter circuit frequency response in bandpass should have certain amplitude and linear phase shift, and in which the amplitude with inner resistance should be zero. Active filter is to point to by amplifying circuit and network structure of RC filter circuit, it is actually a particular frequency response of the amplifier. The order number of filter, the higher amplitude frequency characteristics of the attenuation rate faster, but RC network's day, more component parameters are calculated the more detailed, the more difficult the commissioning of the circuit. According to the index, the design choose active second order bart wo low-pass filter can achieve the design requirements of the index, adjustable gain through the voltage of follow and reversed-phase amplifier to achieve adjustable gain. Key words:Low-pass filter,Butterworth filter,Frequency response 一．项目意义与目标 意义：本项目通过一个比较综合的、能覆盖《模拟电子技术》这门课程的大部分内容的三级项目，使我们能将整个课程的内容串联起来，实现一个系统的功能，巩固整个课程的学习内容，为以后学习和设计提供良好的模拟电子线路知识。本次有源滤波器设计主要注重的是电子电路的设计、仿真，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，在加深对知识的理解基础上，进一步培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。 目标：掌握有源滤波器的分析和设计方法，学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法，通过仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响，尝试着制作实物来验证理论以及仿真求得的结果并比较三者之间的差距。 二．项目内容与要求 内容：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限制，这种滤波器主要用于低频范围。 要求：在模电课程对有源滤波器所学到的知识的基础上，设计出一阶低通有源滤波电路，一阶高通滤波电路，二阶低通滤波电路，二阶高通滤波电路，二阶带通滤波电路，二阶带阻滤波电路。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，观察效果。由滤波电路的曲线可以看出通带的电压放大倍数、通带上限截止频率，下限截止频率，特征角频率等的实际值，与计算出的理论值相比较，分析误差。 信息科学与技术学院电路分析大作业 题目 专业(班级) 姓名 学号 指导教师 17级“电路分析”课程大作业：滤波器的设计 一、要求： 1、完成所要求的各性能指标的滤波器的设计； 2、完成滤波电路的仿真； 3、根据所做的工作完成相关的论文（纸质及电子文档）。 二、论文要求： 1、了解相关应用的背景资料，了解滤波器的工程应用； 2、滤波电路的工作原理的理论分析； 3、电路参数选择的依据； 4、设计过程的记录； 5、仿真结果的记录、计算、分析； 6、心得和体会。 三、时间安排： 1、12月18日（第15周之前）完成仿真调试及验收； 2、12月25日（第16周之前）提交论文。 四、滤波器指标要求： 请设计一带阻滤波电路，上、下限截止频率分别为1500Hz、5000Hz。 目录 一、滤波器的背景资料和工程应用； 二、滤波电路的工作原理的理论分析； 三、电路参数选择的依据； 四、设计过程的记录； 五、仿真结果的记录、计算、分析； 六、心得和体会； 一、滤波器的背景资料和工程应用 定义： 电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。 主要作用： 分类： ⑴ 按所处理的信号 按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 ⑵按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 ⑶ 按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 二、 滤波电路的工作原理的理论分析 1.工作原理 滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号作为输出。电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。 电滤波器是Campbell 和wagner 在第一次世界大战期间各自独立发明的，当时直接应用于长途载波电话等通信系统。电滤波器主要由无源元件R 、L 、C 构成，称为无源滤波器。 滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H(S)来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下 ) () ()(0S U S U S H i = 式中U O (S)、U i (S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。在正弦稳态情况下，S=j ω，电压转移函数可写成 )(0)() ()()(ωφωωωωj i e j H j U j U j H == ? ? 式中H j ()ω表示输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；Φ(ω)表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。 本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。滤波器按幅频特性的不同，可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种，图附录1—1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。 低通滤波电路，其幅频响应如图1(a)所示，图中|H(j ωC)|为增益的幅值，K 为增益常 实验四十二 电力电子电路滤波器设计 （信号与系统—电力电子学综合实验） 一、实验原理 1. 滤波器及种类 滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、电感和电容构成的网络，把叠加在有用信号上的噪声分离出来。采用滤波的方法，就是不阻止具有有用频率的工作信号通过，而衰减非工作信号的干扰的频率成分。从信号频谱分析的原理上说，滤波器就是压缩或降低干扰信号的频谱（通常远高于信号频谱），使传导出去的干扰值不超过规范要求的限值。滤波技术是抑制电气、电子设备传导电磁干扰的重要措施之一。 用无损耗的电抗元件构成的滤波器能阻止噪声通过，并把它反射回信号线；用有损耗元件构成的滤波器能将不期望的频率成分吸收掉。在抗干扰和滤除高频信号的情况下常用低通滤波器。 滤波器对抑制感性负载瞬变噪声有很好的效果；电源输入端接入一定结构形式的滤波器后能降低来自电网的干扰和谐波，或抑制来自电力电子装置的干扰和谐波对电网的侵害。 设计滤波器时，必须注意电容、电感等元器件的寄生特性（如电感的寄生电容和电容的寄生电感等），以避免滤波特性偏离预期值。在滤波电路中，通常还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容、铁氧体磁环等（特别适合于高频滤波场合），它们能改善滤波器的高频特性。适当地设计或选择滤波器，并正确安装和使用滤波器，是电力电子技术和抗干扰技术的重要组成部分。 滤波器分有源和无源两种。本实验主要研究无源滤波器的设计和应用。 滤波器按类型一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、吸收滤波器、有源滤波器和专用通滤波器。滤波器按电路一般分为单容型(C型)、单电感型(L 型)、Γ型、反Γ型、T型和 p 型。不同结构的电路合适于不同的源阻抗和负载阻抗。 选择滤波器的原则，一般根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求综合考虑： (1). 要求电磁干扰滤波器在相应工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性，若一种滤波器衰减量不能满足要求时，则可采用多级联，可以获得比单级更高的衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好衰减特性。 (2).要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求，如果要抑制的频率和有用信号频率非常接近时，则需要频率特性非常陡峭的滤波器，才能满足把抑制的干扰频率滤掉，只允许通过有用频率信号的要求。 有源滤波器设计任务书 一、设计目的 1. 熟悉二阶有源滤波电路幅频特性和相频特性。 2. 掌握二阶有源滤波电路的快速设计方法。 3. 掌握二阶有源滤波电路的调试及其幅频特性和相频特性的测试方法。 二、使用仪器与器材 信号发生器；双线示波器；万用表；直流稳压源；实验电路板；元器件若干。 三、设计任务 图中所示为无限增益多路反馈电路的一般形式,请选择适当类型无源元件Y1～Y5,以构成低通滤波器和高通滤波器 1. 请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器，通带增益Kp=2，截止频率fc=5kHz，画出电路图。 2. 请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器，通带增益Kp=2 截止频率fc=2kHz，画出电路图。 ● 以上工作请在实验课前完成。写在实验报告中。 四、设计步骤 1. 按设计所确定的电路参数，在实验接插板上放入器件，连接低通滤波器（注意连接可靠，正确） 2．将信号发生器的输出信号电压幅值调到1V，接入低通滤波器的输入端，并调整信号源的频率，在低通滤波器输出端测量所对应的幅值。（可用示波器或交流毫伏表测试，并计录输入频率值和所对应的输出幅值，测量10～12 点。） 3．用示波器李沙育图形测试低通滤波器的相频特性，测量10～12 点。 4．进行高通滤波器的电路连接及幅频特性和相频特性测试。测试方法同上。 五、设计报告要求与思考题 1. 复习并掌握滤波器的工作原理，设计方法及应注意问题。 2. 画出所设计的低通滤波器、高通滤波器的电路图。并注明元件参数。 3. 画出幅频特性与相频特性测试原理图，说明测试方法与步骤。 4. 以表格形式分别给出低通滤波器与高通滤波器的幅频特性与相频特性测试数据，并画出其特性曲线。 5. 如果将低通滤波器与高通滤波器相串联，得到什么类型的滤波器，其通带与通带增益各为多少？画出其特性曲线。也可在实验中予以观测和证实。 6. 为构成所得类型的滤波器，对低通滤波器与高通滤波器的特性有无特 定要求。二者哪个在前有无关系？ 附录： 1．几种滤波器原理图、幅频特性 带阻滤波器的设计与仿真 摘要：本文利用ADS设计了一个带阻滤波器，预期目标是满足中心频率为6GHz，相对带宽为9%，带内波纹小于0.2dB，阻带衰减大于25dB，在频率5.5GHz和6.5GHz处，衰减小于3dB，输入输出阻抗为50Ω。设计完成对其进行优化，结果证明，优化之后，带阻滤波器的的各项参数更加符合预期的要求。 关键字：ADS；带阻滤波器；优化 The Design And Simulation Of Bandstop Filter Abstract: this paper ADS design a band elimination filter, anticipated goal is to meet the center frequency for 6 GHz, relative bandwidth for 9%, less than 0.2 dB with inner ripple, stop-band attenuation more than 25 dB, 5.5 GHz in frequency and 6.5 GHz place, less than 3 dB atten uation, input/output impedance for 50 Ω. Design completed the optimization results show, after optimization, with the parameters of the stop filter more in line with the requirements of the expected. Key Words: ADS;Bandstop filter; optimization 一、引言 带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。要想得到带阻滤波器，只需将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，就可以实现。从这个概念，本文利用理查德变换和科洛达规则的原理进行设计。二、微带短截线带阻滤波器的理论基础 当频率不高时，滤波器主要是由集总元件电感和电容构成，但当频率高500Mz 时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件；其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。我们这次设计采用短截线方法，将集总元件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理查德变换用于将集总元件变换为传输段，科洛达规则可以将各滤波器元件分隔。 1.理查德变换 通过理查德变换，可以将集总元件的电感和电容用一段终端短路和终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元件到分布参数元件的变换。在传输线理论中，终基于matlab的FIR数字滤波器设计(多通带,窗函数法)
滤波器设计
有源电力滤波器设计
带阻滤波器设计原理计算
(整理)带通滤波器设计
fir低通滤波器设计(完整版)
有源滤波器设计范例汇总
根据ADS的带阻滤波器设计
低通滤波器的设计
电路实验报告12 有源滤波器设计
带阻滤波器设计范文
滤波器的设计与实现
低通滤波器电路设计与实现
完整地有源滤波器设计
带阻滤波器设计
滤波器设计
有源滤波器设计实例
带阻滤波器的设计与仿真(DOC)
相关主题
文本预览