毕业设计论文LC带通滤波器的设计与仿真设计要点Word格式文档下载.docx
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1.3国内外滤波器的发展和研究现状.................................5
1.3.1滤波器的发展状况.............................................5
1.3.2国内外投入滤波器产业概况................................6
1.3.3滤波器的前景....................................................7
1.3.4几种新型滤波器介绍..........................................8
1.4研究工作概要和内容安排...........................................9
1.4.1研究工作概要....................................................9
1.4.2论文章节安排....................................................9
第二章滤波器的特性.........................................................11
2.1理想滤波器的特性...................................................11
2.2实际滤波器的特性...................................................14
2.2.1巴特沃斯特性..................................................15
2.2.2切比雪夫特性..................................................16
2.2.3贝塞尔特性.....................................................16
2.2.4椭圆特性.........................................................17
第三章LC带通滤波器的设计..............................................19
3.1归一化切比雪夫低通滤波器....................................19
3.1.1切比雪夫滤波器...............................................19
3.1.2阶数的决定......................................................20
3.1.3归一化切比雪夫低通滤器..................................21
3.2由低通到带通的变换..............................................23
3.2.1理论分析.........................................................24
3.2.2实际应用.........................................................28
3.3实例研究..............................................................30
第四章滤波器的仿真.......................................................35
4.1fdatool工具的介绍和应用.......................................35
4.2Multisim8的介绍及应用........................................37
4.2.1电路的创建.........................................................38
4.2.2仿真...................................................................39
结束语.................................................................................43
致谢....................................................................................45
参考文献.............................................................................47
第一章绪论
当今的社会是一个信息化社会，信号的处理是人们不可避免的问题，因此滤波器作为信号处理的装置得到广泛的应用。
LC带通滤波器作为众多滤波器中的一个很小的分支，在实际工程应用中也有着极为重要的作用。
对于从事电路设计与制作的技术人员来说，对LC滤波器的设计与制作应该有所了解。
要设计好一个LC带通滤波器，首先必须对滤波器的相关问题有所了解。
1.1滤波器简介
1.1.1滤波器的概念
滤波器实质上是一个选频电路，它对某一个或几个频率范围内的电信号给以很小的衰减，允许这一部分频率的信号顺利的通过，而对另外一部分频率的信号给以很大的衰减，使这部分信号受到较大的抑制。
滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；
反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；
通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；
理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；
实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。
根据通带和阻带所处的范围的不同，滤波器可分为四类[1]：
●低通滤波器：
它的通带由零延伸至某一规定的上限频率ƒ1，阻带则由ƒ2延伸至无限大（ƒ2＞ƒ1）。
●高通滤波器：
它的频率特性与低通相反；
阻带位于低频范围内，通带则由ƒ1延伸至无限大。
●带通滤波器：
它的通带限定在两个有限频率ƒ1与ƒ2之间，通带两侧都有阻带。
●阻带滤波器：
它的阻带限定在两个有限频率ƒ1与ƒ2之间，阻带两侧都有通带。
1.1.2滤波器的种类
根据使用的波段和元件的不同，滤波器有很多种类，而且随着技术的发展，种类还在不断增加。
总的来说，滤波器可分为两大类：
无源滤波器和有源滤波器。
在无源滤波器中，所使用的是无源元件。
他们在个体或组合的情况下，能够把一种形式的能量变换为另一种形式，并重新变回到原来的形式，换言之，它们必须是谐振性的。
例如，在一个LC谐振电路中，在电容器的电场和电感线圈的磁场之间不断发生着能量的反复交换。
因此，如果两个不同储能装置当相互偶合时，能够以很小的损耗实现能量的交换，它们就可以被利用为滤波器元件。
在一个谐振体中，用来标志能量交换效率的一个参数为品质因数或Q值。
在某一个规定条件下，如果有几种元件可供选择，通常就选用Q值比较高的那种。
特别是，当设计一个窄通带的带通滤波器时，尤其要这样考虑。
如果这个滤波器的中心频率为ƒ0,带宽为Δƒ,则Q值必须远大雨比值ƒ0/Δƒ。
无源滤波器主要包括以下各种：
1 LC滤波器：
由电感和电容这两种集中参数元件组成。
在许多应用中，可以假设它们都是无耗的纯电抗元件。
当要求精密设计滤波器时（只要是窄带带通滤波器的设计），则需要考虑元件中不可避免的微小损耗。
这时可以对无耗滤波器的性能按一定方法进行修正。
2 微波滤波器：
一般用于频率在300MHz以上的滤波器实现，由微波无源器件组成，如传输线组件、偶合传输线、谐振器和谐振腔，它们不需要电源。
3 晶体滤波器：
由压电谐振器制成。
在滤波器应用中，晶体谐振器的Q值非常高，在104和105之间，可以用的频率范围从10kHz到200MHz。
用石英谐振器制成的晶体滤波器的相对带宽非常小，小于10-4。
4 机电滤波器：
由机械谐振器制成。
电信号转换为机械振动，经过滤波后的机械振动又转换为电信号，种种电能与机械能相互转化的方法利用了磁致伸缩效应。
物理上各种固体都可以按照下面任意一种方式震动，如纵向、横向、扭转和弯曲等。
机械谐振器的Q值可以达到104，可用于高大200MHz的频率，机械谐振器和压电谐振器都是基于下面的事实：
在低频段，与相应的电磁器件中的能量转换相比，势能与动能以声波的方式转换更为有效。
随着微电子的迅速发展，促进了滤波器的小型化发展，因此出现了利用硅片运算放大器和薄膜或厚膜RC元件制成的高性能的有源滤波器。
而且随着可编程器件的发展，数字滤波器得到了广泛的应用。
与模拟滤波器相对应，在离散系统中广泛应用数字滤波器。
它的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形或频率进行加工处理。
或者说，把输入信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。
数字滤波器一般可以用两种方法来实现：
一种方法是用数字硬件装配成一台专门的设备，这种设备称为数字信号处理机；
另一种方法就是直接利用通用计算机，将所需要的运算编成程序让通用计算机来完成，即利用计算机软件来实现。
1.2LC滤波器概述
由于本文主要对LC滤波器进行研究，因此下面对LC滤波器进行介绍。
LC滤波器是一种历史最悠久的滤波器，上世纪二十年代已经开始应用。
今天，它仍然被广泛应用于电信技术的各个领域中。
LC滤波器通常的应用范围可以是小于1G，做的出色的可以做到3G，那需要特殊的材料和工艺以及经验，实际上我们自己在通常情况下，能够做到100M就不错了。
2—300M以上一般都已经需要使用印制线作为电感。
而带宽通常在5—30%，做得好的可以做到1—60%。
插损一般为2—12dB。
阻带抑制一般可以做到4—50dB，好的为7—80dB。
国内做得好的当数13所和总参57所上海分所。
影响LC滤波器应用的主要障碍是线圈和电容器的参数值比较特殊。
也就是说，不能使用标准元件，所用的元件是特别订制的。
特别是难以购买到线圈，订制时需要有一定的交货期，如果数量少则价格更高。
所以，当需要使用LC滤波器时，往往采用连同设计在内一起交给厂家制作的方法。
但是，在对性能有特别要求的场合，设计者如果常备有制作线圈的铁心和绕线架，自己绕制线圈，用RLC测量仪表选择电容器，就能够在短时间内制作出在任意截止频率下的特性都比较陡峭的滤波器。
另外，如果是阶数较低的低通滤波器或高通滤波器，也可以用市面上出售的标准品——微型电感进行简单的设计。
1.2.1LC滤波器的两种类型[2]
LC滤波器的构成类型有图1.1所示的π型和Т型两种。
无论怎么连接都可以得到相同的特性，Т型的特点是在阻止频率下的输入阻抗大，而π型的特点则是输入阻抗小。
所以，用OP放大器驱动含有阻止频率成为多的信号时，T型LC滤波器的负载比较轻。
另外，在LC滤波器中，L（线圈）的价格比C（电容器）高，而且体积比较大，所以往往选用L数目少的电路结构。
图1.1低通滤波器的两种类型（左为T型，右为π型）
1.3国内外滤波器的发展和研究现状
在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
1.3.1滤波器的发展状况
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。
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被研制出来并得到应用。
80年代致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩大应用范围。
90年代至今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、生产应用等方面已有一定进步，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使许多新型滤波器的研制应用与国际水平有一段距离。
1.3.2国内外投入滤波器产业概况
目前在全球滤波器市场上仍以日商为主要的供应者，而且各家厂商就各类滤波器而言，几乎可供应该类滤波器全系列的产品。
以村田制作所为例，其所提供的滤波器与通讯有关之产品包括：
适用于RF端的晶片型LC低通及带通滤波器、SAW滤波器，以及分别适用于1stIF及2ndIF的SAW滤波器及陶瓷滤波器等，而产品的应用范围包括GSM、PCS（CDMA1900）、AMPS/ADC、PDC800、PDC1500、NTACS/CDMA、PHS及DECT等系统之手机上，可说是相当完整。
由于一台手机上所使用的滤波器数量虽少，但就产品单价方面，相较于其他被动元件而言却不见得便宜，故在兼顾品质的条件之下，滤波器在产品价格上的便宜与否也会纳入手机采购的考量点之一，以目前各类滤波器的价格来说，SAW滤波器平均价格较石英滤波器便宜且易量产，故近年来行动通讯产品逐渐将中频滤波器采购重心由石英滤波器转至SAW滤波器，使得SAW滤波器在全球滤波器市场上的需求持续占有相当大的比例。
根据矢野经济研究所调查1999年度全球各厂商生产滤波器的相关资料显示，在RFSAW滤波器生产量方面，全球市场占有率最大者为EPCOS，约31.4%，在IFSAW滤波器方面，也同样由EPCOS拔得头筹，占有率为26.8%，至于在MCF方面，则是由东洋通信机取得领先的地位，约30.4%。
国内厂商目前已投入之产品则包括石英滤波器、SAW滤波器、介质共振滤波器及晶片型LC滤波器，1999年行动通讯市场热络之后，一些生产相关滤波器产品的新厂商也陆续浮出台面，由于目前在全球滤波器市场上仍以日商为主要的生产者，故国内厂商目前在部份滤波器产品上仍以代工为主，希望能藉此将产品推向国际舞台之上。
1.3.3滤波器的前景
随着行动电话的设计愈来愈轻薄短小及价格大众化的趋势之下，使得其在全球通讯市场的普及率逐年上升，其中以亚洲地区的成长最为迅速，根据香港市调公司AMI的调查结果显示，在2000年10底前亚洲各地区的行动电话普及率概况如表一，显示在手机普及率大幅提升的情况下，似乎想要再度掀起行动电话需求热潮，恐怕得期待换机市场的兴起，而由于滤波器为手机内部的关键元件之一，其需求的成长与否与手机生产当然是息息相关，故目前产业界均密切注意着手机在设计方面及市场销售的动向。
表1.1 2000年10底前亚洲各地区的行动电话普及率概况
单位：
%
地区
香港
台湾
韩国
新加坡
菲律宾
印尼
日本
普及率
71
70
64
54
30
8
49
资料来源：
电波新闻（2000/11）
1.3.4几种新型滤波器介绍
近年来，随着电子信息的发展，滤波器的发展相当迅速。
一些新型的滤波器也相应诞生，下面介绍几种新型的滤波器。
声表面波滤波器：
它是理想的超高频器件。
它的幅频特性和相位特性可以分别控制，以达到要求，体积小，长时间稳定性好和工艺简单。
通常应用于电视广播发射机中作为残留边带滤波器；
彩色电视接收机中调谐系统的表面梳形滤波器，此外，在国防卫星通信系统中已广泛采用。
声表面波滤波器是电子学和声学相结合的产物，而且可以集成。
所以，它在所有无源滤波器中最有发展前途。
自适应数字滤波器：
最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于现代控制理论研究的课题。
自适应数字滤波器具有很强的自学习、自跟踪功能。
它在雷达和声纳的波束形成、缓变噪声干扰的抑制、噪声信号的处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获得了广泛的应用，促进了现代控制理论的发展。
复数数字滤波器：
在输入信号为窄带信号处理系统中，常采用复数数字滤波器技术。
为了降低采样率而保存信号所包含的全部信息，可利用正交双路检波法，取出窄带信号的复包络，然后通过A/D变换，将复包络转化为复数序列进行处理，这个信号处理系统即为复数数字滤波器。
它具有许多功能。
MTI雷达中抑制具有卜勒频移的杂波干扰；
数字通信网与模拟通信网之间多路TDM/FDM信号变换复接等等。
多维数字滤波器：
在图象处理、地震、石油勘探的数据处理中都用到多维数字滤波器，多维数字滤波器的设计，往往将一维数字滤波器优化设计直接推广到多维中去。
对于模糊和随机噪声干扰的二维图象的处理，多维数字滤波器也能发挥很好的作用。
波数字滤波器：
它便于实现大规模集成；
便于无源和有源滤波网络的数字模拟。
对于数字滤波器有待研究的课题有：
系数灵敏度；
舍入噪声和极限环；
多维逆归滤波器的稳定性；
各种硬件和软件实现数字滤波器的研究等等。
滤波器的设计和研究是一项意义深远的工作，尤其是处在信息社会中，采用更好的方法设计出性能更好的滤波器能够促进很多产业的跨越发展。
1.4研究工作概要和内容安排
1.4.1研究工作概要
本文主要研究内容是根据事先给定的滤波器指标，选定拟采用的响应类型并确定出滤波器的低通原型元件值，再利用从低通到带通的频率变换，得到带通滤波器的LC元件值。
最后对所设计的带通滤波器性能进行仿真计算，并与设计指标进行对比。
1.4.2论文章节安排
第一章，简要的介绍了滤波器的概念和种类，并对本文主要研究的LC滤波器的进行了比较详细的介绍。
还对国内外滤波器的历史和发展现状，投入滤波器产业概况以及滤波器的发展前景进行了介绍。
第二章，对滤波器的特性进行了比较系统的介绍。
第三章，对切比雪夫型LC带通滤波器的设计进行了研究，并以课题的设计要求给定的指标为例进行了说明。
第四章，对设计的滤波器进行了仿真，并与实际要求的滤波器的指标进行了对比，验证方法的有效性。
结束语对全文进行了总结，总结了全文的成果，并提出本文的不足并对以后的研究方向进行了讨论。
第二章滤波器的特性
实际的滤波器是按上述它对频率成分的过滤特性和设计滤波器时所用的函数形式的组合情形来区分和命名的，且其中的函数形式名称大都采用了某个数学家的名字。
例如，所用函数形式为巴特沃思函数的低通滤波器就称为巴特沃思型低通滤波器，所用函数为切比雪夫函数的低通滤波器就称为切比雪夫型低通滤波器等，而所用函数为椭圆函数的高通（或其他）滤波器则直接称为椭圆函数型高通（或其他）滤波器。
也就是说，滤波器的名称一般包括函数名称和过滤特性两部分。
2.1理想滤波器的特性[3]
下面介绍具有理想过滤特性的滤波器对信号的过滤作用。
虽然理想滤波器实际上是做不出来的，但只要能尽可能地接近理想特性，它就是好滤波器。
理想低通滤波器的特性如图2.1所示。
它能够让从零频（即直流）到截止频率ƒc之间的所有信号都没有任何损失地通过，而让高于截止频率ƒc的所有信号毫无遗留地丧失殆尽。
理想高通滤波器的特性如图2.2
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