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ORCAD巴特沃思低通滤波器设计报告

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巴特沃思低通滤波器设计报告
指导教师： 吴 贵 能
学 院： 国际半导体学院
专 业： 微 电 子
班 级： 1 6 1 1 2 0 1
姓 名： 徐 海 峰
学 号： 2012215117
一、实验内容：
设计一个巴特沃思低通滤波器，要求：截止频率fC=100Hz，止带
fS=300Hz ，衰减量AS＞50dB。
二、参数计算：
2.1、巴特沃思低通滤波器的阶数N估算：
由截止频率fc比止带频率fa可得：
则滤波器阶数N为： N为整数，所以取N为
6 ，即为六阶巴特沃思低通滤波器。
2.2、传递函数：
采用三个二阶巴特沃思构成一个六阶巴特沃思低通滤波器，由教材《集
成电路原理及应用》P180页表6-2-1，可得六阶巴特沃思传输函数为：

式中G0i表示各级增益。
2.3、各级R、C值：
第一级选取如图1所示电路，由fC=100=1/（2piRC），取C=0.1uF, 得R=16K,
由1=0.518,得G01=3- Rf1/Rf2= G01–1 =1.482, 取Rf2 =10K,
则Rf1 =14.28K

图1

S
S

C

f300
Ω===3

f100

S
S

A60
N≥=≈5.3

20logΩ20log3

0.51811.93211.4141
0220103
22
λλλλλλ

GGG(S)=SSSSG
SS
同理可得第二级、第三级参数。第二、三级 R、C，只是G02、G03各不
相同，显然：
G02=3- 2 =3-1.414=1.576=1+0.576

G03=3- 3 =3-1.932=1.062=1+0.062

取Rf22 =1K, 则Rf12=0.576K，取Rf23=0.5K, 则Rf13=0.124K。于是得到三级
二阶低通滤波器的参数，理论上说，三级级联的顺序无关，但通常将较小
的放在最后。由上述可得电路如图2所示。

图2
三、电路装配：
3.1仿真工具：
PC、ORCAD9.2。
3.2运放选型及参数：
选取LM358作为滤波器的核心运放，其具有以下特点：
○1内部频率补偿；○2直流电压增益高(约100dB)；○
3
单位增益频带宽

(约1MHz)；○4电源电压范围宽：单电源(3—30V)、双电源(±1.5 一±15V)
低功耗电流，适合于电池供电；○5 LM358低输入偏流、低输入失调电压和
失调电流；○6共模输入电压范围宽，包括接地；○7差模输入电压范围宽，等
于电源电压范围；○8输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。
3.3原理图：
图3
四、仿真分析：

4.1波特图：

图4
图5
由上图4、图5可得该滤波器通频带增益为13.596dB；
由图4可得截止频率fC=100Hz处增益为10.512dB，衰减了3.0836dB；
由图5可得止带频率fS=300Hz处增益为-43.392dB，衰减了56.988dB。
所有满足设计要求在此处衰减量AS＞50dB。

4.2疑点分析：

问题：为何频率在20Khz以后会出现增益上升，然后趋于稳定？
猜测：由于运放LM358的带宽限制。
五、心得体会：
虽然这次实验只有短短的4次课，但在老师的细心讲解以及参考教材第
6章PPT，我初步掌握了巴特沃思低通滤波器设计思路和方法，学会了使用
orcad仿真软件进行仿真，也通过自己的思考克服设计过程中的种种困难，
我收获颇丰。原来对理论知识理解不足导致在仿真过程中出现很多问题，例
如品质因素Q和传递函数等不知如何去算，不知道电阻值的改变会对图形产
生那些影响等，在尝试改变电阻时也时刻看图形的改变，这使得原来死板的
公式变得有血有肉起来，同时也加强了对公式的理解。对现有知识还是不能
很好的解决仿真中的问题。特别是对软件的应用上，非常不熟练。在去过多
次图书馆，翻阅相关书籍我对软件的应用才有了初步了解。这次实践我认识
到想要把知识实际运用还用很长路要走，同时理论知识是实际应用的基础，
只有扎实的理论知识才能对实践应用提供可靠,强大的支持。

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低通滤波器实验报告

低通滤波器实验报告

（科信学院）信息与电气工程学院电子电路仿真及设计CDIO三级项目设计说明书（2012/2013学年第二学期）题目： ____低通滤波器设计____ _____ _____ _专业班级：通信工程学生姓名：学号：指导教师：设计周数：2周2013年7月5日题目： ____低通滤波器设计____ _____ _____ _ (1)第一章、电源的设计 (2)1.1实验原理： (2)1.1.1设计原理连接图： (2)1. 2电路图 (5)第二章、振荡器的设计 (7)2.1 实验原理 (7)2.1.1 (7)2.1.2定性分析 (7)2.1.3定量分析 (8)2.2电路参数确定 (10)2.2.1确定R、C值 (10)2.2.2 电路图 (10)第三章、低通滤波器的设计 (12)3.1芯片介绍 (12)3.2巴特沃斯滤波器简介 (13)3.2.1滤波器简介 (13)3.2.2巴特沃斯滤波器的产生 (13)3.2.3常用滤波器的性能指标 (14)3.2.4实际滤波器的频率特性 (15)3.3设计方案 (17)3.3.1系统方案框图 (17)3.3.2元件参数选择 (18)3.4结果分析 (20)3.5误差分析 (23)第四章、课设总结 (24)第一章、电源的设计1.1实验原理：1.1.1设计原理连接图：整体电路由以下四部分构成：电源变压器：将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2。

整流电路：将交流电压U2变为脉动的直流电压U3。

滤波电路：将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压U4。

稳压电路：当电网电压波动及负载变化时,保持输出电压Uo的稳定。

1）变压器变压220V交流电端子连一个降压变压器，把220V家用电压值降到9V左右。

2）整流电路桥式整流电路巧妙的利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器次级电压的极性分别导通。

见变压器次级电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载的电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

巴特沃斯低通滤波器的设计方法

巴特沃斯低通滤波器的设计方法

极点：-0.3090±j0.9511,-0.8090±j0.5878; -1.0000
H a(p )p 5 a 4p 4 a 3p 3 1 a 2p 2 a 1p a 0
其中,a0=1.0000, a1=3.2361, a2=5.2361, a3=5.2361, a4=3.2361
2021/2/11
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归一化:
——由于各滤波器的幅频特性不同,为使设计统一，需要将所 有的频率归一化
——这里采用对3dB截止频率Ωc归一化，归一化后的Ha(s)表示
为
1
Ha(s)
N 1
(
s
sk )
k0 c c
(5.2.11)
令归一化复变量p=s/Ωc，pk=sk/Ωc，得到归一化巴特沃斯的传
输函数
Ha ( p) N1 1
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切比雪夫低通滤波器: •I型——通带等波纹,阻带单调递减 •II型——通带单调递减，阻带等波纹
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28
切比雪夫I型低通滤波器
幅度平方函数: A2Ha(j)2 12C1N 2( p)
Ωp给定,两个参数ε和N
(5.2.24)
0< ε <1,表示通带内幅度波动的程度，ε愈大，波动幅度愈
ap：通带最大衰减系数
as：阻带最小衰减系数
ap 10lg
Ha( j) 2
2
(5.2.1)
Ha( jp)
as
10lg
Ha( j) 2 Ha( js ) 2
(5.2.2)
将Ω=0处幅度已归一化到1,即|Ha(0)|=1,得到
2
ap10lgHa(jp) (5.2.3)
as 10lgHa(js)2 (5.2.4)
低通滤波器设计课题研究报告

低通滤波器设计课题研究报告

1、课题背景滤波器是具有一定传输选择特性的、对信号进行加工处理的装置，它允许输入信号中的一些成分通过，抑制或衰减另一些成分。

其功能是将输入信号变换为人们所需要的输出信号。

滤波器按照处理的信号不同可分为模拟滤波器和数字滤波器；按功能不同可分为低通、高通、带通和带阻。

本次课设是完成低通滤波器的设计，目前常用的方法有模拟滤波器设计的巴特沃斯和切比雪夫滤波器以及数字滤波器设计的冲激响应不变法和双线性变换法。

巴特沃斯滤波器的频率特性曲线，无论在通带还是阻带都是频率的单调减函数。

因此，当通带边界处满足指标要求时，通带内肯定会有较大富余量。

因此，更有效的设计方法应该是将逼近精确度均匀地分布在整个通带内，或者均匀分布在整个阻带内，或者同时均匀分布在两者之内。

这样，就可以使滤波器阶数大大降低。

切比雪夫滤波器的幅频特性就具有这种等波纹特性。

它有两种形式：振幅特性在通带内是等波纹的、在阻带内是单调下降的切比雪夫Ⅰ型滤波器；振幅特性在通带内是单调下降、在阻带内是等波纹的切比雪夫Ⅱ型滤波器。

脉冲响应不变法的优点是频率变换关系是线性的，即ω=ΩT，如果不存在频谱混叠现象，用这种方法设计的数字滤波器会很好地重现原模拟滤波器的频响特性。

另外一个优点是数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应波形，时域特性逼近好。

但是，有限阶的模拟滤波器不可能是理想带限的，所以，脉冲响应不变法的最大缺点是会产生不同程度的频率混叠失真，其适合用于低通、带通滤波器的设计，不适合用于高通、带阻滤波器的设计。

双线性变换法的优点：避免了频率响应的混叠，数字域频率与模拟频率之间是单值映射。

缺点：除了零频附近外，数字域频率与模拟频率之间存在严重非线性。

2、方案设计2.1、模拟滤波器2.1.1、巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性 2.1.1.1、设计步骤1、由技术指标要求确定滤波器阶次对于本次课设，已经要求是三阶，故此步可省略 2、由阶次确定归一化后的表达式对于3阶的归一化表达式为：1221)(23+++=p p p p H （1）3、由截止频率去归一化 令cw ps =代入上式得到去归一化后的结果（c w 是截止角频率，当Hz f c 100=时，s rad w c /628=）：)10945.3628)(8.627(1048.2)(528⨯+++⨯=s s s s H 2.1.1.2、仿真验证设计的滤波器的频域特性曲线如下图：101102103104-270-225-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)-80-70-60-50-40-30-20-100M a g n i t u d e (d B )幅频特性曲线在s rad w c /628=（Hz f c 100=）处开始下降，满足设计要求。

巴特沃斯低通滤波器课程设计

巴特沃斯低通滤波器课程设计

电路基础课程设计巴特沃斯低通滤波器设计目标:通带边界频率ωc=4396rad/s (f c=700Hz);通带最大衰减αmax=3dB;阻带边界频率ωs=26376rad/s(f s=4200Hz); 阻带最小衰减αmin=30dB;1.设计步骤⑴设计电压转移函数①将给定的电压衰减技术指标进行频率归一化选取归一化角频率ωr=ωc，这样通带边界频率Ωc=ωc/ ωr=1,阻带边界频率Ωs=ωs/ ωr=ωs/ωc。

②根据归一化的技术指标求出电压转移函数巴特沃斯低通滤波器的阶数n=Log(100.1αmin−1) 2Log(Ωs)带入数据求得n=1.93 取整得n=2由a k=2sin(2k−1)π2n，b k=1和H(s)=U out(s)U in(s)=∏A ks2+a k s+b kn2k=1可得到电压转移函数H(s)=U out(s)U in(s)=1s2+√2s+1将转移函数进行反归一化，即另s=sωc 得到实际转移函数H(s)=U out(s)U in(s)=1s243962+√2s4396+1⑵转移函数的实现选取下图作为实现转移函数的具体电路：列节点方程求解转移函数节点1 U1(1R1+1R2+s∗C1)−1R1U in−1R2−s∗C1∗U2=0节点2 (1R2+s∗C2)U2−1R2U1=0又有U out=U3解得H(s)=U outU in=11+(R2+R2)s∗C2+C1C2R1R2s2对比解得的电压转移函数和推得的电压转移函数里各项的系数并且令R1= R2,C1=1μF,可以得到C1=11000000F=1μFR1=250000√21099Ω=321.705ΩR2=250000√21099Ω==321.705ΩC2=12000000F=0.5μF因实验室没有0.5μF的电容因此取C2=0.47μF2.计算机仿真⑴软件环境：Multisim 10⑵电路图：⑶仿真结果：①700Hz下的波形图②4200Hz下的波形图③波特图◎700Hz下衰减2.673dB◎4200Hz下衰减30.491dB3．实验室实际操作因实验室没有0.5μF的电容和321.705Ω的电阻，因此取C2=0.47μFR1=R2=330Ω实际连电路时，选取集成电路块的第1、2、3引脚分别作为放大器的输出端、负端和正端，第4和11引脚作为供电端，C2一端连接电压源的接地线。