毕业设计低通滤波器文献综述.docx

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毕业设计低通滤波器文献综述

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分类号__TN713_

密级___

文献综述

低通滤波器概要

院（系）名称

专业名称

学生姓名

指导教师

2012年3月20日

低通滤波器概论

摘要

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路，其主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。

它在信号处理、通信系统中大量使用，因此低通滤波器电路应运而生。

本文设计的三个滤波器电路使每个滤波器带外衰减不少于40dB/十倍频程，通带增益AF在0.2~4.0范围内可调，同时三个滤波器的截止频率分别为100kHz、200kHz、500kHz，截止频率误差绝对值不大10％。

关键词：

滤波器，截止频率，通带增益

1滤波器简介

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。

自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。

导致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。

当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。

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。

我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。

从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。

从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：

LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。

从这些应用比例来看，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，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。

无源滤波器由无源元件（电阻、电容、电感）组成，具有高频性能好、电路简单、功能可靠、无需直流供电，能够输出高压大电流等优点。

但无源滤波器带负载能力较差，不但通带放大倍数会因负载电阻而减小，而且通带截至频率也会因负载电阻而增大。

同时无源滤波器的体积和重量也比较大，其电感还会引起电磁干扰。

有源滤波器由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成，具有电路体积小重量轻、通带内信号可放大、精度高、性能稳定、易于调试、负载效应小、可多级相连构成高阶滤波器等诸多优点。

但由于集成运放所限，有源滤波电路不适于高电压大电流负载，而只适用于信号处理。

根据题目具体要求，系统只需对弱电信号进行处理，且对于信号处理的精确性要求较为苛刻，因此采用有源滤波器更为适合。

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。

1.1低通滤波器的作用和结构

低通滤波器的主要技术指标

（1）通带增益Avp

通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图1所示。

性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。

（2）通带截止频率fp

其定义与放大电路的上限截止频率相同，见图1。

通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。

图1LPF的幅频特性曲线

1.2简单一阶低通有源滤波器

一阶低通滤波器的电路特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。

图2一阶低通电路（LPF）图3一阶LPF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

（1.1）

一阶低通滤波器的传递函数如下：

（1.2）

其中

（1.3）

该传递函数式的样子与一节RC低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益Avp这一项。

1.3简单二阶低通有源滤波器

为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。

它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。

二阶LPF的电路图如图4所示，幅频特性曲线如图5所示。

图4二阶低通电路（LPF）图5二阶低通电路幅频特性曲线

（1）通带增益

当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为

（1.4）

（2）二阶低通有源滤波器传递函数

二阶低通有源滤波器传递函数：

（1.5）

（1.6）

（1.7）

通常有联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数

（1.8）

（3）通带截止频率

将s换成jω，令ω0＝2πf0=1/（RC）可得

（1.9）

当f=fp时，上式分母的模

（1.10）

解得截止频率：

（1.11）

与理想的二阶波特图相比，在超过f0以后，幅频特性以-40dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。

但在通带截止频率fp→f0之间幅频特性下降的还不够快。

2低通滤波器方案设计与比较

2.1课题设计思路

本次的低通滤波器设计的要求是f0=100kH、200kHz、500kHz,十倍频程的衰减至少要40db，因此衰减40db的要求基本上巴特沃斯、切比雪夫均可实现，但是我们选择不同的滤波器拓补结构也会对结果产生不同的影响，尤其是人为调试时要实现方便有效的效果。

由于要实现增益0.2~0.4的调节，有以下两种方案：

方案一：

滤波器一共分为两级，前级利用差分放大电路实现0.2倍固定增益，后级利用运放搭接二阶低通滤波器，其调节增益可变为1~20倍增益可调。

方案二：

滤波器一共为三级，第一级利用反相比例运算电路实现0.2~4倍增益调节，中间级利用反相比例运算电路实现固定1倍增益反相，最后一级用运放搭接二阶低通滤波器，其增益固定为1倍。

比较两种方案：

第一种方案虽然级数少，焊接方便，但是由于增益调节和滤波部同在一级内，可会造成增益调节带来的截止频率的变化，不利于题目要求的实现；第二种方案虽然级数多，焊接较为繁琐，但是其增益调节与滤波是分开不在同一级内，所以截止频率的浮动相对不大。

综合比较，我们选定方案二作为滤波的实现电路。

2.2理解分析与计算

低通滤波器设计

下图为二阶低通滤波器的拓扑结构图。

（其中R3=R2=R，V1=Ui）

图2.1二阶低通滤波器的拓扑结构图

根据“虚短”“虚断”特性，写出输出电压、同相输入端电压和N点的电压表式：

（2.1）

（2.2）

（2.3）

令C1=C2=C，联立求解以上三式，课的滤波器的传递函数为：

（2.4）

所以其截止频率为

=0.37

，且

=

，得到下表。

表2.1截止频率计算表

参数值

截止频率

R

C

RC计算值

100KHZ

1.1K

560P

200KHZ

1.1K

270P

500KHZ

1.1K

100P

又为了使滤波器本身增益为1，根据

（2.5）

其中

。

低通滤波器电路如下图（其中利用拨码开关进行三种截止频率的调换）

图2.2低通滤波器电路

2.3软件实现

本设计采用应用广泛的PCB制作软件-Protel99SE，在设计出原理图之后运用该软件进行PCB的制作布线，从而生成可实现的样机。

在实现之前可以运用功能比较全的Proteus软件进行前期仿真以检验原理图的正确与否，方便修改设计上的部分错误。

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