有源高通滤波电路

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1、课程设计河南工业职业技术学院 电气 0904 wlm题目十七 有源高通滤波系统的设计一、设计的目的和要求：题目要求二阶有源滤高通滤波器，下限截止频率1kHz，通带内电压放大倍数1.5,品质因 数 0.707 。设计的目的 模拟电子技术课程设计是模拟电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学 环节，要求达到以下目的：1. 使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分 析问题、解决问题的能力；2. 使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能 力；3. 熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。二、设计内容及步骤1. 设计与

2、计算阶段学生根据课程设计任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证和选择，确 定总体方案。此后是对方案中单元电路进行选择和设计计算，包括元器件的选用 和电路参数的计算。最后画出总体电路图，选用元件一览表。2. 撰写总结报告阶段 总结报告是学生对课程设计全过程的系统总结。学生应按规定的格式撰写设计报 告。设计报告的主要内容有：1）课题名称。2）设计任务和要求。3）方案选择与论证。4）原理框图，总体电路图、布线图以及它们的说明；单元电路设计与计算说明； 元器件选择和电路参数计算的说明等。5）收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。三、进度安排 总体安排一周时间，具体分配为：1. 查阅资料、确定方

3、案（ 1 天）。2. 系统设计（3 天）。4. 撰写设计报告（1 天）。一：概 论1.1 选题依据1.2 有源高通滤波器的发展概况及现状二：课程设计的要求和目的2.1 题目要求2.2设计目的三：方案的设计和选定3.1RC 高通电路的频率响应3.2 高通滤波电路3.3方案设计与选定4.1 选择运放4.2 选择电容器的容量，计算电阻器的阻值五：制作与调试5.1 制作电路图5.2调试操作 5.3调试结果5.4 实验数据表 六：数据结果分析 七：实验小结 八：参考文献一：概 论1.1 选题依据根据所学的专业和自己的爱好，采用模电等知识来完成有源滤波器的设计。 在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用

4、极为广泛；尤其是有源高通滤波 器。目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。有源高通滤 波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对有源高通滤波器的研究和生产历来为 各国重视。1.2 有源高通滤波器的发展概况及现状1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器，次年导致了美国第一个多 路复用系统的出现。20 世纪 50年代无源滤波器日趋成熟。70年代以后 RC 有源滤 波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80 年代，致 力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90

5、年代至现在 主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制，特别是有源高通滤波器， 我国广泛使用滤波器是 50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经 过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐， 但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤 波器的研制应用与国际发展有一段距离。在滤波器中用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号的即是有源高通滤波器。 他的这种功能使他在现代电子、通信、自动化控制上得到大力发展。我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着 电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多

6、，并且要求它 们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差 距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。 二：课程设计的要求和目的1.1 题目要求二阶有源滤高通滤波器，下限截止频率1kHz，通带内电压放大倍数1.5，品 质因数 0.707。1.4设计目的初步掌握一般电子电路设计的方法，得到一些工程设计的初步训练，并为以 后的毕业设计奠定良好的基础。通过对电子技术的综合运用，使学到的理论知识 相互融会贯通，在认识上产生一个飞跃。三：课程设计的任务和要求3.1 RC 高通电路的频率响应在输入的信号的低频区内，放大电路中耦合电容和弯曲电容对放大电路放大能力的影响，可用如图（a

7、）表示的RC高通电路的频率 响应来模拟。利用复变量s,由图可得此电路的电压传递函数为Vo(s)oV(s)iR2R +1/sC22 s +1/R C22对于实际频率S=jw=j2n其幅频响应和相频响应的表达式分别为幅频响应A =VL1J1+(f 相频响应w l = arctan ( f / f )式中AvAvl为低频电压传输系数，可画出RC高通电路的波特图如图(b)RC高通电路图（a）0.0 t/LQ90 100/L/L1- O-4500-0 1/l0.1/l./L1Q/l/7Hz10Q/l./Hz图(b)由波特图可知，当输入频率ffL时，RC高通电路的电压传输系 数的幅值I Avl I最大，且

8、不随信号频率的变化而变化，也不产生相移。 f=fL时IAvlI下降3db，且产生+45。相移。FfL 后,随着f的下降，IAVLI 按一定规律衰减且相移增大，最终趋于+90通过对 RC 高通电路频率响应的分析，可以得到下列具有普遍意 义的结论：(1) 电路的截止频率决定于相关电容所在回路的时间常数t=RC(2) 当输入信号的频率等于下限频率时，放大电路的增益下降3db， 或下降为普通增益的 0.707倍，且在通带相移的基础产生-45或+45 的相移。3.2 高通滤波电路共幅频响应如图(c)所示，由图可知，在0wwL范围内的频率为阻带，高于 wL 的为通带。从理论上来说，它的带宽为无穷大，但实际

9、上由于 受到有源器件以及杂散参数的影响，带宽受到限制高通滤波电路的带宽也是有限 的。图（c）高通（HPF）3.3 一阶有源高通法滤波电路为了使滤波特性更接近理想情况，可采用二阶高通滤波电路如右下图所示。一阶低通电路（LPF）一阶LP F的幅频特性曲线当 f = 0时，电容器可视为开路，通带内的增益为一阶低通滤波器的传递函数如下其中一阶高通滤波电路，当了 T 时，电容相当于开路 信号不!通过集成运放输出，随 着频率的不断升高，电容的容抗越来越小，信号则越来越易于通过集成运放输出，因此，是 高通滤波电路。3.4 二阶有源滤波电路二阶有源高通滤波电路如图 d 所示，由图可见，它是有两节 RC 滤波电

10、路合同相 比放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。同相比例放大电路的电压 增益就是高通滤波器的铜带电压增益即 Ao=AVF=(AVF-1)R1/R1I 111 同相比例I I j_放大电路I图d传递函数： 由于二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性性具有对偶关系，它们的 传递函数也如此。将二阶低通滤波电路的传递函数表达式丁 _ 2R( + sRC) _ 27?(1 + j1 一 l +旗芳一 1-窗芳中的sRC用代替，则可得二阶高通滤波电路的传递函数为1)令2)则3)(3)为上阶高通滤波电路传递函数的典型表达式。式2. 幅频响应将式(3)中的s用s=jw代替，则可得二阶高通滤波电路的

11、频响应特性方程为0)=AypSCR1 + (3- Avf)sCR+ (sCR)2片（妙| =1一（如塔）血-（他尸2 +4（曲叫）4）5）佻=-远tg 4严严!（当（血 ） 出t）卫何=/）= 人淑1 +何尸叫復）1 + 2（2 - Aypf % + （s f由此可画出其幅频响应的曲线，如图2 所示。N川2叫|J7旭b旷皿o. 0.2 0.3 0.512 3 4 5:阶高通滤波电路的帼频响应由图可见，二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性具有对偶（镜像）关系。如以w=wn为对称轴，二阶高通滤波电路的随w增大而增 大，阳1 + JjE轴尸1 + n肿/ % + (JE卫呼1+ 0创轴尸1+ 2

12、(2- Ayp)/% + (仙塔尸而二阶低通滤波电路的 %=磊 则随着w升高而减小。二阶高通 滤波电路在wwn时，其幅频响应以40dB/十倍频的斜率上升。由式（1）知，只有A0=AVF口ET-H- sEPOXY MIN卜DIP (P-Sufflx)8-PtN HERMETIC DIP(Z-Sufflx)弘P用SO(S-Suff)4v.OP-07R C/883mcLCC汕(RC-Suffix)HCuTd cilM -JN l2低失调电压时漂：1.5uV/月（最大）OP07 芯片引脚功能说明：1 和 8 为偏置平衡 （ 调零端 ） ，5 空脚2 为反向输入端，6 为输出，3 为正向输入端，7 接电

13、源 +4 接地4.2 选择电容器的容量，计算电阻器的阻值：电容器C的容量应在微法数量级下，电阻器的阻值一般应在几 百千欧以内。现选择 C=C2=1卩F ,则根据公式R =R =l/2nf C=l/2n*100*10-6沁 1.6kQ.选择电阻 1.66kQ （因为测出11 22 LC1,C2并不是lyF，二是0.978卩F）这与计算值有一点误差，可能导致 截止频率比 100HZ 稍有升高。所以选择 R11=R22 1.66k，C1=0.978yFlyF，C2=0.969yFlyF Rf=1.99kQ, R1=1.480k，A0=AVF=1+Rf/R1=2.45（符合 AVF3,能稳定 工作）五

14、：制作与调试5.1 制作，电路图如下:I同相比例| 放大电路i其中在放大器处加入+5, -5V的直流稳压,R =R =1.66kRf=1.99kQ, Rl=1.480k ,11 22Cl=0.978yF沁 lyFA0=AVF=1+Rf/Rl=2.45C2=0.969yF 皑 lyF5.2 调试操作电路连接好后，我们需要函数发生器，示波器，万用表各一个，一个能产 生+5V, -5V的直流稳压并接地的电源，及两个交流毫伏表，我们需要函数发生 器产生022kHZ、幅值为1V的信号。输入Vi接函数发生器，输出Vo接示波器, 直流稳压电源的+5V接OP07的7引脚，-5V接4引脚，交流毫伏表1接Vo。交

15、流毫伏表2接输入信号Vi （因为当改变输入信号频率时，由于函数发生 器跟滤波器组成的电路的阻抗，容抗等会发生变化。输出Vi的幅值也相应的微变, 通过调节函数发生器的幅值，确保Vi的大小保持不变）。注意：在打开电源之前，应先用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断 路，且不能带电操作。5.3 调试结果当输入信号f110Hz时，示波器输出的信号峰-峰值基本不变，交流毫伏表上的读数（输出信号Vo）也不变，仍为2.5v左右。器输出波形越定，交流HZ，示55V本不变）何Ai0E趋于稳2555.4 实验数据表：F(HZ)Vi(v)Vo（v）F(HZ)Vi（v）Vo（v）7011.525012.2275

16、11.8630012.168012.0440012.108512.2250012.059012.3860012.0412012.5512.0012512.5512.0113012.5512.0018012.4011k11.6819012.3712k11.5620012.3513k11.50理论上，该 Bw 等于无穷大，但实际上由于受有源器件和外接元件以及杂散参数 的影响，带宽受限制，高通滤波器带宽也是有限的。由实验数据表我们可以确定六六：数据信结开果分析由于输入信号fv50HZ时，滤波器输出幅值为0, 70HZvfvll0HZ，滤波器输 出复制趋近于A。, f110HZ时滤波器A0趋于最大值2

17、.55由调试结果知道，实际fL=110HZ，由于我们选择R11=R221.66k欧（理论值为即滤波器电路实现截止频率fL=110HZ的高通滤用巴特沃斯高通滤波电路归一 化幅频响应表示为1.6k欧），导致A0=2.55理论值为2.45（R）A = 1 + 0 R在本实验中，测出的电容值为0.978pF和0.969pF,1而理论值为1pF和1pF。 七根据公实验21小结稍微偏小导致fL稍微偏大（110禺）但仍在误差范围内。这是我们在上学以来的第一次课程设计，刚开始的时候对这个话题不太了解，但是通过一个周的查阅书籍，一个周的努力，我对课程设计有了一定的认识，也终于圆满的把课程设计完成了。在本次课程设计中，让我知道了滤波器的工作原理 以及分类。让我熟悉了函数发生器与示波器的操作。熟悉并学会选用电子元器件， 为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。基本掌握常用电子电路的一般设计 八方法：，提参高电考子电文路的献设计和实验能力1 胡宴如,模拟电子技术（第三版）北京、高等教育出版社 20102 刘南平，吉红编著.模拟电子技术.西安：西安电子科技大学出版社，19983 关健主编虚拟电子Multisim7技术北京：电子工业出版社，20004 范立南，思莉，代红艳，李雪飞.模拟电子技术.北京：中国水利水电出版社，20015 htt p:/6 htt p:/ tml