1、黃 岡 師 范 學 院實驗課程設計報告課 程: 電子技術綜合實驗（二） 題 目: 程控濾波器設計與制作 專業班級： 電子信息工程2012級 學 號： 2014222020305 學生姓名： 指導教師： 完成日期: 2015 年 6 月16 濾波器設計專業：電子信息工程 班級：201203班 作者：胡斯哲 指導老師：謝偉摘要在工業場合，電子電力系統中，電路會受到雜波的干擾，所以濾波器在電路中應用十分廣泛。本論文是基于Proteus設計并實現有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器，對有源濾波器的設計方法進行了詳細的分析，實現了六階巴特沃斯帶通和帶阻濾波器設計，用仿真軟件Proteus對設計結果進行了仿真與

2、分析，并將仿真結果與實際測量結果進行了對比分析。關鍵詞：PROTEUS；巴特沃斯；帶通濾波器；帶阻濾波器目錄摘要1目錄21、緒論31.1濾波器的發展階段31.2課題研究的背景32、原理分析43、設計框圖54、濾波設計系統設計64.1方案比較64.2技術參數確定和設計步驟74.3Proteus仿真波形及頻率響應圖84.3.1低通濾波器84.3.2高通濾波94.3.3帶通仿真104.3.4帶阻濾波器104.4實驗數據115、結束語126、參考文獻13附錄一14附錄二161、緒論1.1濾波器的發展階段電容濾波器是由電路元件相互連接構成的一種選頻網絡。從1915年Wagner和Campbell分別首次

3、提出濾波器的概念以來，濾波器經歷了無源分立RLC元件、集成線性元件/混合集成電路和單片全集成電路的發展歷程，取得了長足的進步。隨著濾波器理論的發展，特別是1977年美國加州大學Berkeley分校的學者組成的研究小組集成了第一片單片MOS開關電容濾波器，開關電容濾波器成為了濾波器理論中十分活躍的分支，受到了電路理論工作者和集成電路設計者的廣泛關注。開關電容濾波器(SCF)電路其核心部分由模擬開關、電容器和運算放大器組成，其傳輸函數系統特性取決于電容容量比的準確性，易于用MOS工藝實現。因此，70年代末，MOS工藝發展迅速，MOS器件在速度、集成度、相對精度控制和微功率等方面都有獨特的優勢，為開

4、關電容濾波器電路的迅速發展提供了很好的條件。國際上，70年代末至80年代中是SCF大發展時期，完成了從原理、結構探討至工業化過程，并被廣泛應用于通訊等領域。國內在70年代有我國自主知識產權的電子產品。目前，開關電容濾波器正向著集成度更高，功耗更低以及精度更好的方向發展，出現了很多的新方法來設計低電壓、低功耗、低電容比和運放增益靈敏度的SC濾波器。而隨著開關電容濾波器設計技術的日加成熟，開關電容濾波器的應用也更加廣泛.從無限通訊到視頻應用，再到集成電路設計，開關電容濾波器都越來越多的發揮著重要的作用。1.2課題研究的背景 隨著濾波系統在各類電子裝置中的普遍使用，普通的濾波器在工作時產生

5、的誤差，會影響整個系統的精確度。低精度的濾波器在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對濾波器提出了不同要求并制定了一系列的產品精度標準。只有滿足產品標準，才能夠進入市場。      隨著經濟全球化的發展，滿足國際標準的產品才能獲得進出的通行證。傳統濾波器功能單一，調節精度不高，人機界面不友好，而且經常跳變，使用麻煩。隨著集成電路技術的發展，目前已有高階專用的開關電容濾波器芯片，但其價格高，電路噪聲也不盡如人意，此外還存在信號混疊問題。 濾波系統是目前濾波器的不足提出的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節數

6、，有效地解決電源模塊中諸 如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。2、原理分析1、有源低通濾波器的設計（LP）下圖為有源二階低通濾波器的電路圖和幅頻特性曲線圖。其幅頻特性頂部平坦，但其過渡帶的陡度只有40分貝/十倍頻程，濾波效果不理想。若將三個二階濾波器串聯，就可構成一個6階有源低通濾波器，其幅頻特性頂部與二階有源低通濾波器一樣，但其過渡帶的陡度有120分貝/十倍頻程，濾波效果非常好，接近理想特性。 圖12、有源高通濾波器的設計（HP）將有源低通濾波器中的電阻和電容對換，即可實現有源高通濾波器。電路如圖-2。圖-23、有源帶通濾波器的設計（BP）將

7、有源高通濾波器和有源低通濾波器進行串聯來實現有源RC帶通濾波器。4、有源帶阻濾波器的設計（BE） 將有源高通濾波器和有源低通濾波器進行串聯來實現有源RC帶通濾波器。有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器是由有源低通濾波器、有源高通濾波器的串聯、并聯構成的，因此系統設計的關鍵是有源高通濾波器和有源低通濾波器。其性能的好壞影響到有源帶通濾波器、有源帶阻濾波器的性能。3、設計框圖圖3通過切換開關選擇高通和低通濾波器。k2、k3、k4斷開，k1閉合時，預置為有源RC低通濾波器；k1、k2斷開，k3、k4閉合時, 預置為有源RC高通濾波器；k1、k3斷開，k2、k4閉合時, 預置為有源RC帶通濾波器；k2斷開，

8、k1、k3、k4閉合時, 預置為有源RC帶阻濾波器；4、濾波設計系統設計4.1方案比較1、有源RC濾波器通帶截止頻率的控制要實現濾波器的截止頻率在1kHz20kHz范圍內按1kHz步進，有兩種方法：方案一、固定電阻，切換電容由于電容的系列值較電阻少，且電容的選取難，如果近似選取，產生的誤差較大，很難達到題目的要求。方案二、固定電容，切換電阻經比較，由于電阻系列值較多，容易選取，且價格低，元器件參數的選擇和控制方便。2、濾波方案選擇通過EWB軟件仿真，得到有源RC低通契比雪夫、有源RC低通巴特沃斯、有源RC低通貝塞耳濾波器幅頻特性曲線如圖4所示。圖4通過對圖（4）中的三種幅頻特性曲線的比較和分析

9、，巴特沃斯有源RC低通濾波器的頂部平坦，通帶特性好，該濾波器在過渡帶衰減的陡度大，可獲得陡峭的頻率特性。因此，選用巴特沃斯有源RC低通濾波器能達到較好的濾波效果。4.2技術參數確定和設計步驟1、 確定濾波器的階數 N對于巴特沃斯濾波器其幅頻特性一般表達式為:A=Aup1+ffo2N( 為通帶截止頻率，f為輸入信號的頻率，n為階數)根據題目的要求f/fo=2 (高通f/fo=1/2) 從通帶截止頻率處到2倍通帶截止頻率處衰減32db以上，則有：20lgAAup-32dB，即20lg11+22n32dB得到：n>=5.3(n 取整數)經上述計算至少需要6階巴特沃斯濾波器才符合要求。

10、2、電阻和電容的確定： 設通帶截止頻率為f01kHz。根據fo=1/（2RC）= 1000(kHz)，考慮電阻、電容的系列值，首先選取 RC濾波網絡中的電容為C=2200PF。 當通帶截止頻率f01KHz時，電阻R為72k； 當通帶截止頻率f02KHz時，電阻R為36K； 當通帶截止頻率f04KHz時，電阻R為18k；當通帶截止頻率f08KHz時，電阻R為9k；當通帶截止頻率f010KHz時，電阻R為7.2k；4.3Proteus仿真波形及頻率響應圖4.3.1低通濾波器六階低通濾波器的波形如圖5，頻率響應為圖6。在圖5中綠色波形為輸入波形，紅色波形為二階輸出，藍色為四階輸出，黃色波形為六階輸出

11、。在圖6中，藍紅綠分別為二、四、六階的頻率響應。電路見附錄一綠紅藍黃圖5六階四階二階圖64.3.2高通濾波輸入圖7中，紅色為輸入波形，綠色為二階輸出波形，藍色為四階輸出波形，黃色為六階輸出波形；圖8中，紅綠藍分別表示二、四、六的頻率響應圖。六階四階二階圖7六階四階階二階圖8圖94.3.3帶通仿真圖9中的綠色是輸入的1kHz的方波，其中帶有1khz、3khz、5khz、7khz奇次諧波。經過頻帶為1Khz-10Khz的帶通濾波器后，輸出波形為圖9中的紅色波形。經過對紅色波形進行傅里葉分析得到圖10；從圖10可以看到的頻率分量有1khz、3khz、5khz、7khz、9khz的分量輸出。其他的頻率

12、分量都被濾掉。電路見附錄一的圖一。圖104.3.4帶阻濾波器圖11是中綠色是輸入1khz的方波，經過低通截止頻率為2kHz高頻截止頻率為7Khz的帶阻濾波器后產生的位紅色的波形；而圖12是帶通濾波器的頻率響應圖；圖13是輸出的波形經過傅里葉分析得到的頻率分量。從圖13可以清楚的看到波形只有小于1Khz和大于7Khz的波形得到放大。電路見附錄一的圖二。圖11圖12圖134.4實驗數據低通：輸入頻率KHz實際截止頻率KHz輸入頻率KHz實際截止頻率KHz10.881110.221.81211.5331312.143.811412.954.81514.265.431615.376.71715.887

13、.561817.498.51918.1109.32018.9高通輸入頻率KHz實際截止頻率KHz輸入頻率KHz實際截止頻率KHz11.21111.622.21212.733.61313.244.31414.755.21515.966.41616.377.01717.388.1181899.41919.41010.52020.85、結束語這次設計讓我重新復習了模擬電子技術基礎這本書，在這個過程中，許多以前被忽略的細節被重新翻了出來，并且在某種程度上決定整個設計的方向。同時通過查閱相關資料，了解了六階帶、阻通濾波器與二階高通、低通濾波器的相互關系，同時又了解和學習了proteus的使用方法。對我來

14、說，這次的設計題目不算很難，反而是學習和掌握一種新的仿真軟件顯得更加重要。對于整個設計過程，我感慨很多，從選題到定稿，從理論到實踐，中間經歷了很多的困難，但是這讓我學到了很多的東西。通過這次設計，讓我加深了對于濾波器設計的理解，進一步熟練了對于其原理的掌握，并為我今后在相關方面的工作和研究打下了堅實的基礎。 最后，感謝一直給予我幫助的謝偉老師及我可愛的同學們！6、參考文獻 1. 華成英 童詩白 模擬電子技術基礎  高等教育出版社，2008. 2. 張為 等譯 電子電路設計基礎M 北京：電子工業出版社 2005.10 3. 丁士圻編著&#