濾波器的課程設(shè)計

1、<p>　　摘要： 本設(shè)計是一個可控制的濾波放大電路，主要由三個環(huán)節(jié)構(gòu)成：四階巴特沃茲帶通濾波器、可控增益的增益放大器和開關(guān)電容帶通濾波器。實現(xiàn)的是對于100——5000hz低頻信號的濾波放大，及最后開關(guān)電容濾波器帶通濾波選取某頻段的波形，同時給予可控增益完成信號的放大。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 巴特沃茲濾波器 可控增益放大 切比雪夫濾波器</p><p>　　1、設(shè)

2、計任務(wù)和設(shè)計要求 </p><p><b>　　1．1設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　對于信號處理需要進行濾波和放大，而現(xiàn)有的濾波放大器的可控性能不高，現(xiàn)要求設(shè)計一個簡單的可控濾波放大電路，實現(xiàn)對放大增益的可控制，并且能夠完成帶通濾波和某一平率波形的簡單提取。</p><p><b>　　1．2設(shè)計要求</b>&l

3、t;/p><p>　　輸入信號選在低頻區(qū)，帶通濾波范圍在100Hz——5kHz。帶通濾波增益有明顯的變化，范圍在40dB——70dB之間即可。濾波區(qū)間變化較為平坦，頻段提取的中心頻率增益不小于10dB，提取頻率2000Hz。</p><p><b>　　1．3題目評析</b></p><p>　　題目的重點在于濾波和放大，難點在于可控增益的放大和濾

4、波性能的要求。要求設(shè)計的電路主要的功能就是濾波和控制放大，而如何做到濾波器性能的要求是濾波器設(shè)計主要難點，而可控增益放大器則需要完成如何在要求范圍內(nèi)完成放大增益分貝。題目的實用價值在于現(xiàn)代通訊和傳感器領(lǐng)域中要求對信號做出處理，而放大和濾波兩種基本處理應(yīng)用非常廣泛，實現(xiàn)增益控制和濾波控制將為自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)很大的便利性，尤其是可編程控制的放大濾波器的運用會非常的靈活方便，若是結(jié)合單片機的使用，將極大的提高系統(tǒng)的自動化程度。本設(shè)計的創(chuàng)新之處

5、在于結(jié)合巴特沃茲濾波器、AD603芯片和MAX274芯片，實現(xiàn)了濾波放大和單一頻率的波形提取，整體設(shè)計在參數(shù)計算工作量大大減少，而且在靈活性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了設(shè)計要求，可以運用在電機和變壓器對三次諧波的監(jiān)控或是信號中的諧波分析。</p><p><b>　　2、方案比較與論證</b></p><p><b>　　2．1濾波單元設(shè)計</b></p

6、><p><b>　　方案一：無源濾波</b></p><p>　　RC無源濾波器具有電路簡單，抗干擾性強，較好的低頻性能，但是RC參數(shù)計算較為困難，在濾波特性上與有源濾波相比有一定差距。</p><p><b>　　方案二：有源濾波器</b></p><p>　　有源濾波電路是指使用放大器實現(xiàn)濾波功能

7、。有源濾波能夠濾除諧波，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95％以上，補償無功細致。選用TI公司的LM324進行濾波單元的設(shè)計。</p><p>　　2．2增益放大單元設(shè)計</p><p>　　方案一：使用數(shù)字電位器和普通運放組成放大電路。通過控制數(shù)字電位器來改變放大器的反饋電阻實現(xiàn)可變增益。這種方案硬件實現(xiàn)較簡單, 但限于數(shù)字電位器的精度較低、檔位有限, 這

8、種方案很難實現(xiàn)增益的精確控制, 同時數(shù)字電位器受信號的帶寬限制,在運放環(huán)路中會影響整個系統(tǒng)的通頻帶寬。</p><p>　　方案二：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器，便于對放大增益的較精確控制，同時可以降低干擾和噪聲。綜上所述, 本設(shè)計采用方案二, AD603是一款低噪聲, 精密控制的可變增益放大器, 溫度穩(wěn)定性高, 最大增益誤差為0.5dB, 滿足題目要求的精度, 其增益(d B )與控制電壓V

9、呈線性關(guān)系。</p><p>　　2．3頻率波形提取單元設(shè)計</p><p>　　方案一： 使用集成運放組成的帶通濾波器，使中心頻率對應(yīng)要求的提取頻率，此處使用切比雪夫響應(yīng)的濾波器較好，但是集成運放在通帶頻率和阻帶頻率的確定較困難，而且切比雪夫濾波器雖然有很好的下降性，但是濾波的波紋較大，參數(shù)設(shè)計復(fù)雜，精度難以提高。</p><p>　　方案二： 使用開關(guān)電容濾波

10、器組成的帶通濾波器，開關(guān)電容具有數(shù)字濾波器的離散特性，但是不必像數(shù)字濾波器那樣進行AD和DA轉(zhuǎn)換，可以對模擬信號直接處理，而且速度和精度都大幅度提高，因此本設(shè)計采用的是開關(guān)電容濾波器進行頻率波形提取。</p><p><b>　　3、系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　3．1系統(tǒng)的總體設(shè)計</p><p>　　對于設(shè)計要求，單一模塊無法完

11、全達到，因此需要多級模塊串聯(lián)工作，分步完成，因此系統(tǒng)總體由三個設(shè)計單元串聯(lián)組，如方框圖3.1所示</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)總體方框圖</p><p>　　設(shè)計為三個單元串行連接，一級單元的輸出是下一級單元的輸入，對于系統(tǒng)的總體要求由每一塊單元單獨執(zhí)行。其中控制電路單獨對增益進行控制，若濾波同樣采取開關(guān)電容濾波器，則完全可以實現(xiàn)可控濾波的操作，即對濾波器進行編程操作或者以不同的時鐘

12、脈沖輸入濾波器控制截止頻率，但是這需要單片機或者邏輯器件的輔助。最后開關(guān)電容對處理后的波形在此濾波，提取出指定頻率的波形來。</p><p>　　3．2 系統(tǒng)的單元設(shè)計</p><p>　　3.2.1低頻濾波器的設(shè)計</p><p>　　低頻濾波器是一個帶通濾波器，設(shè)計要求希望濾波器的響應(yīng)足夠平坦，因此選用巴特沃茲濾波器，使用一個巴特沃茲低通濾波器和一個巴特沃茲高

13、通濾波器串聯(lián)組成巴特沃茲帶通濾波器。對于單一的巴特沃茲低通濾波器，在2處有較大的衰減，這里設(shè)定為在2處信號衰減為-30dB，則有濾波器階數(shù)：</p><p>　　其中A為衰減分貝，為在2處的歸一化頻率。可得n=2.16，定階數(shù)為二階。根據(jù)頻域的對稱性原則，巴特沃茲高通濾波器的階數(shù)也為二階，組成的是四階巴特沃茲帶通濾波器。二階巴特沃茲濾波器電路如圖3.2.1所示，巴特沃茲濾波器的傳遞函數(shù)為：</p>

14、<p>　　其中 是濾波器的截止頻率， 是濾波器的放大增益。把品質(zhì)因數(shù)定為Q=0.707，電容選用1nF，已知低通濾波器的截止頻率為5000Hz，則可求出，R=31.84k，對于集成運算放大器，要求兩輸入端的輸入電阻對稱，故，解得，。所得電路如圖3.2.2所示</p><p>　　圖3.2.1 巴特沃茲二階低通濾波器</p><p>　　圖3.2.2 設(shè)計得到的電路圖</p

15、><p>　　巴特沃茲二階高通濾波器電路圖如圖3.2.3所示</p><p>　　圖3.2.3 巴特沃茲二階高通濾波器</p><p>　　巴特沃茲二階高通濾波器傳遞函數(shù)為：</p><p>　　截止頻率 濾波器放大增益 已知截止頻率為100Hz，選取電容為0.1uF，可得出電阻R=16k，，R=//，可得，所得的電路圖如圖3.2.4所示<

16、/p><p>　　圖3.2.4 設(shè)計得到的電路圖</p><p>　　將兩個巴特沃茲濾波器串聯(lián)，就可以得到濾波器單元的設(shè)計電路圖。此單元完成信號濾波，使輸出的信號在100Hz——5000Hz之間，高通濾波器和低通濾波器組成帶通濾波器實現(xiàn)設(shè)計要求。</p><p>　　3.2.2可控增益放大器單元設(shè)計</p><p>　　本單元的設(shè)計采用AD603

17、AQ芯片，該芯片精密度高，控制精度好，溫度穩(wěn)定性高，增益與控制電壓成線性關(guān)系，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2.5所示</p><p>　　圖3.2.5 AD603AQ芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　芯片內(nèi)部由固定放大器和增益可變的精密無源輸入衰減器組成，二者共同決定整個芯片的增益倍數(shù)，加在梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號進過衰減后由固定增益放大器輸出，增益的調(diào)整由Vg電壓決定，在本設(shè)計中，芯片工作在模

18、式三中，反饋端與輸出端斷路，F(xiàn)DBK對COMN連接一個18uF的電容用于擴展頻率響應(yīng)，為高增益模式，增益電壓Vg由一個滑動變阻器控制，呈非線性變化。增益倍數(shù)的計算公式為VG=40Vg+30 dB，Vg的電壓不超過1v。根據(jù)設(shè)計要求，此處采用一片AD603，若是設(shè)計要求的增益倍數(shù)繼續(xù)擴大，可采用兩片或者多片級聯(lián)工作。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求連接AD603的外圍電路，如圖3.2.6所示。由于設(shè)計要求放大增益

19、在40dB——70dB之間，則要求Vg兩端的電壓在0.25——1v之間。使用滑動變阻器串聯(lián)，串聯(lián)電阻數(shù)值為1k、15k、4k，其中15k為精確的可調(diào)電阻，在電路圖中用滑動變阻器表示。</p><p>　　AD603芯片提供了整個電路的主要放大增益部分，增益理論設(shè)計在40dB——70dB可調(diào)，滿足設(shè)計要求。</p><p>　　3.2.3頻率波形提取單元的設(shè)計</p><

20、p>　　本單元的設(shè)計采用的是較為低級的可編程開關(guān)電容濾波器，選用的是MAX274開關(guān)電容，MAX274的帶通濾波截止頻率是由周圍電阻的阻值決定的，改變提取頻率則需要更換</p><p>　　圖3.2.6 AD603的電路圖設(shè)計</p><p>　　相應(yīng)的電阻。芯片是一個八階連續(xù)時間有源濾波器，由四個獨立的二階有源濾波器組成，可以實現(xiàn)巴特沃茲、切比雪夫、貝塞爾響應(yīng)濾波，噪聲低，動態(tài)性能

21、好，中心頻率在100Hz——150kHz之間，符合設(shè)計要求。芯片及外圍連接如圖3.2.7所示。確定開關(guān)電容濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，為中心頻率，則電阻，電阻，電阻，系數(shù)a的取值為端口FC連接的地方，本單元的設(shè)計為FC接地。電阻，A為中心頻率的增益。系數(shù)a具體如圖3.2.8</p><p>　　圖3.2.8 系數(shù)a的具體取值</p><p>　　圖3.2.7 MAX274及外圍連接圖

22、</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求不低于10dB，這里把中心頻率的增益定為15dB，為了得到快速下降特性，濾波器模型為六階階切比雪夫濾波器，可求得如圖3.3.4所示</p><p>　　此單元為最后的頻率提取單元，將特定的頻率的波形輸出。</p><p><b>　　4、系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　4．1低頻濾

23、波器單元的仿真</p><p>　　該單元的仿真圖如4.1.1所示。</p><p>　　圖4.1.1 低頻濾波器單元的仿真圖</p><p>　　仿真結(jié)果為波特圖測試3dB時的頻率為82.94Hz和5.48kHz，其幅頻特性曲線如圖4.1.2所示，此時輸入的信號頻率為2kHz。根據(jù)仿真結(jié)果，低頻濾波器的性能和誤差符合設(shè)計要求。</p><p&

24、gt;　　圖4.1.2 幅頻特性曲線圖</p><p>　　4．2可控增益放大器單元的仿真</p><p>　　該單元的仿真圖如圖4.2.1所示。</p><p>　　仿真結(jié)果該增益放大器的幅頻特性和波形圖如圖4.2.2所示，此時輸入信號為2kHz。</p><p>　　圖4.2.2 幅頻特性曲線圖和示波器顯示的輸入輸出波形圖</p

25、><p>　　4．3頻率波形提取單元的仿真</p><p>　　該單元的仿真圖如4.3.1所示，其幅頻特性曲線如4.3.2所示。</p><p>　　由仿真結(jié)果來看，滿足設(shè)計要求的3000Hz波形提取。</p><p>　　圖4.3.1 頻率波形提取單元的仿真圖</p><p>　　圖4.3.2 頻率波形提取單元的幅頻特

26、性曲線</p><p>　　4．4一、二級單元串聯(lián)運行</p><p>　　兩級單元串聯(lián)運行如圖4.4.1所示，波形如圖4.4.2所示，波形縱軸輸入的單位為5mv/Div，輸出的波形是5v/Div，放大倍數(shù)接近1000倍。</p><p>　　圖4.4.1 兩級單元串聯(lián)的仿真圖</p><p><b>　　5、結(jié)論</b&g

27、t;</p><p>　　本設(shè)計采用巴特沃茲濾波器和切比雪夫濾波器結(jié)合可控制增益放大模塊，對信號進行固定為100Hz——5000Hz的低頻率部分的濾波，通過增益放大模塊對信號進行可控放大，最后由切比雪夫濾波器對頻率為3000Hz的波形進行提取。本設(shè)計旨在對濾波放大電路可控部分進行改進，缺點是調(diào)節(jié)精度不高，對于切比雪夫濾波器和巴特沃茲濾波器的頻段控制仍依賴于外圍電阻的參數(shù)而不能達到高度自動化，若是本設(shè)計結(jié)合單片機或

28、者可編程邏輯控制器件，對外電路的參數(shù)進行定量控制，同時改進使用的芯片達到更高的精度，相信這塊電路會更完善。</p><p><b>　　6、參考文獻</b></p><p>　　1、濾波電路原理分析 </p><p>　　2、max274有源濾波器的設(shè)計應(yīng)用 于春香 集成電路通訊 第25卷第2期 2007年6月</p><p

29、>　　3、四階巴特沃茲低通濾波器的設(shè)計與仿真 </p><p>　　4、lm324資料 </p><p>　　5、巴特沃茲二階有源高通濾波電路的設(shè)計與仿真</p><p>　　6、ad603 ad公司產(chǎn)品說明手冊</p><p>　　7、max274 maxim公司產(chǎn)品說明手冊</p><p>　　8、lm3