电子课程设计---二阶有源高通滤波器

长沙学院

电子技术

课程设计说明书

题目有源高通滤波器设计系(部) 电子信息与电气工程系专业(班级) 光电2班

姓名

学号2013041216

指导教师

起止日期2015.6.1-2015.6.5

模拟电子技术课程设计任务书

长沙学院课程设计鉴定表

目录

一、有源高通滤波器的广泛应用 (5)

二、 LM741EN芯片引脚功能及其应用 (5)

LM741芯片引脚和工作说明： (5)

三、有源高通滤波电路介绍及其工作原理 (6)

1.滤波电路 (6)

2.集成运放电路和反馈电路 (6)

3.二阶有源高通电路框架图： (7)

四、有源高通滤波电路的设计 (8)

（1）设计方案 (8)

（2）元器件参数计算和选择（截止频率的选定） (8)

（3）对设计的电路进行仿真调试 (9)

①仿真电路 (9)

②波特图幅频特性 (10)

③波特图相频特性 (10)

④输入波形与输出波形比较（红色为输入波形，蓝色为输出波形） (11)

五、有源高通滤波电路的扩展和改良 (13)

四阶有源高通滤波电路 (13)

利用记录仪观察波形数据 (13)

六、实训总结 (14)

七、参考文献 (14)

一、有源高通滤波器的广泛应用

滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，广泛应用于电力系统、通信发射机与接收机等电子设备中，它能减弱或消除谐波的危害，对无用信号尽可能大的衰减，让有用信号尽可能无衰减的通过，从而纠正信号波形畸变。所以，无论信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，尤其是有源高通滤波器。它在通讯、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。所以研究滤波器，具有重大意义。

二、LM741EN芯片引脚功能及其应用

LM741EN是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。可广泛应用于各种数字仪表及工业自动控制设备中。

LM741EN引脚图

LM741芯片引脚和工作说明：

1和5为偏置(调零端)

2为正向输入端

3为反向输入端

4接地

6为输出

7接电源

8空脚

三、有源高通滤波电路介绍及其工作原理

有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分，衰减或抑制无用的频率成分，并对有用的频率成分具有一定的电压放大作用。有源高通滤波电路包括：滤波电路、集成运放和反馈电路三个部分。其中滤波电路能有效滤除无用频率信号成分，保留有用频率信号成分。集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用，使电路滤波特性趋于理想。

1.滤波电路

根据放大电路的频率响应，由于电抗元件及半导体管极间电容的存在，当输入信号频率过低或过高时，导致放大倍数数值变小，产生超前或滞后的相移。而对于高通滤波电路，当信号频率较低时，耦合电容和发射极电容很大，分压作用不可忽略。由于耦合电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。

RC 网络在电路中起着重要的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。

其中，高通滤波电路又分为一阶、二阶和高阶，而高阶滤波电路可以由低阶滤波电路级联而成。其中一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，过渡带较宽，幅频特性衰减小，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。增加RC 环节，变成二阶高通可加大衰减斜率。下图分为一阶、二阶高通滤波电路。

2.集成运放电路和反馈电路

集成运放应用在信号的运算和处理中，以输入电压为自变量，以输出电压作为因变量。当输入电压变化时，输出电压将按一定的数学规律变化，即输出电压反映输入电压某种运算的结果。

为了实现本设计的通频带放大增益，对于基于理想运放的放大电路，采用“虚短”和“虚断”的分析方法，运放电路中应引入负反馈，使净输入量趋于零，才能保证集成运放工作在线性区。

为了稳定输出电压，故引入电压负反馈。运放电路的特征是从集成运放的输出端到其反相输出端存在反馈通路。根据设计要求，输入端是信号电压源，输出端要求得到稳定的电压，因此放大电路中应引二阶高通滤波电路

R

C Ui

Uo

一阶高通滤波电路

根据以上分析，可得电路设计：

通带增益：

特征角频率：

等效品质因数：

传递函数：

归一化的幅频响应： 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应：

归一化响应：

3.二阶有源高通电路框架图：

2

c

c 22

0)(ωω++=

s Q s s A s A RC

1

c =

ωF

31

V A Q -=

F 0V A A =2c 22c 0)(1)(1)j (Q A A ωωωωω+??

?

???-=

2n 0)/(1)(ωωωc A j A +=

四、有源高通滤波电路的设计

（1）设计方案

将二阶高通滤波电路、集成运放电路和反馈电路按框架图连接起来，可得到一个二阶有源高通滤波

器电路，并在输入和输出端口分别连上波特图示仪和示波器观测输入信号与输出信号的变化，调节输入信号的频率，从而判断本电路是否起到衰减或抑制截止频率以下的频率的作用。下图为基本电路设计。

（2）元器件参数计算和选择（截止频率的选定）

由于理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带，在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，故需用更多参数来描述。

理想滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。实际的滤波电路往往难以达到理想的要求。如果同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更为困难。由于巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，所以本次设计采用巴特沃斯有源高通滤波电路。

已知截止频率f=1/2πRC ，而巴特沃斯滤波器中Q=0.707，其输出响应幅度表达式为：

集成运放

信号输出

反馈网络

RC 网络 信号输入

2c 22c 0

)(1)(1

)

j (Q A A ωωωωω+??

?

???-=

其中：

下面以截止频率H f =200Hz 设计电路中器件参数选择。 ① R 的值一般选取几千欧到几百千欧。电容选用0.033μF

则C

f R H ω21=

= 1/2π*200Hz*0.033μF*6

10-=24.11k Ω≈24k Ω

② 由于是巴特沃斯滤波器，Q=0.707，即：

=3-

Q

1

=3-2=1.586，则f R =0.5861R

③ 平衡电阻1R 必须满足平衡条件，即f R 并联1R 的值为2R ，于是有：

Ω==+4821

1R R R R R f f

于是可以解得：1R ≈130k Ω，f R ≈76k Ω.

经上述计算，可以选定二阶高通滤波电路的元件参数为：

1R =130k Ω f R =76k Ω

R=24.11k Ω

C=0.033μF

（3）对设计的电路进行仿真调试

①仿真电路

根据设计的高通滤波电路和计算出来的元件参数，在Multisim10 中对电路进行仿真调试，其中分别在1

1R R A f vf +

=RC

n 1=

ωvf

A Q -=

311

1R R A f vf +

=

衰减或抑制截止频率以下的频率的作用。

用2V交流电源（频率可变）作为输入信号，在电压信号幅值不变的前提下，改变其频率，便可测得电路对不同频率的信号的滤除作用。下图为Multisim10中的仿真原理图。

②波特图幅频特性

由右图可以看出，当f小于

203.87Hz时，随f升高而增大。

则表明频率越接近203.87Hz，信

号就能通过电路放大并能有完整

输出。则截止频率约为200Hz，与

预期选定设置的截止频率相符。

③波特图相频特性

相频特性图如图所示，截止频率为

203.87HZ,与所设计相符合。

④输入波形与输出波形比较（红色为输入波形，蓝色为输出波形）

（1）当输入频率小于200HZ的时：

f=10HZ时f=50HZ时

f=100HZ时f=150HZ时

（2）当输入频率等于200HZ的时：

（3）当输入频率大于200HZ的时：

f=250HZ时f=300HZ时

当输入信号频率分别为10Hz、50Hz、100Hz、150Hz时，输入电压为2V，而输出电压仅有毫伏级别，则可以看出信号被大大抑制，达到了滤波作用。而10Hz、50Hz、100Hz、150Hz小于100Hz，与预期结果相符。

当输入信号频率等于截止频率200Hz时，信号能通过电路并能放大输出，与预期结果相差不大。

当输入信号频率为250Hz、300Hz，输入电压为2v时，信号被放大输出为2.593V、2.633V与预期相差不大。

五、有源高通滤波电路的扩展和改良

由于滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的截止频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输增益。阻带指标为带外传输增益的衰减速度。

根据以上的计算和设计，完成了简单的二阶有源高通滤波电路。但是由幅频特性图可以看出，二阶高通滤波器滤波效果不够好，幅频特性衰减率较低。故考虑采用更高阶数的有源率波电路，但采用反相输入设计时，系统的传输函数较复杂，故采用同相输入设计，阶数过高则电路复杂，成本高。因此，设计了一个四阶有源滤波电路扩展改良。

四阶有源高通滤波电路

利用记录仪观察波形数据:

六、实训总结

有源高通滤波电路能传送输入信号中有用的频率成分，有效衰减或抑制无用的频率成分，并对有用的频率成分有一定的电压放大作用。有源高通滤波电路应包括：滤波电路、集成运放、反馈电路三个部分。滤波电路能有效滤除无用频率信号成分，保留有用频率信号成分。集成运放和反馈电路使电路具有一定的电压放大作用，使电路滤波特性趋于理想。二阶有源高通滤波电路在滤波效果、幅频特性衰减率方面相对高阶段滤波电路要差。但是通过两节二阶滤波电路级联可构成四阶甚至跟高阶的滤波电路，使其幅频特性曲线更接近理想的特性。

在使用Multisim 10软件中进行仿真实验时，我对二阶高通滤波电路的频率特性和不同频率下的输出信号进行了分析，电路能有效滤除或衰弱截止频率为200Hz以下的电压信号，能完整传送频率200Hz 以上的电压信号，并对其有一定放大作用，最终结果基本达到了预期要求。

但是个人觉得本次设计还存在很多不足，在分析运算放大器时，是将运放当成理想运放来考虑的，所以在实际中肯会有些许偏差。实际电路中会与设计中的一些电阻或电容的参数有些偏差，可能导致截止频率少许偏高或偏低。另外，对于高于截止频率的信号，虽然电路能完整的输出并一定的放大，但是会有或多或少的相位移。

若能很好的控制电路元器件的参数使电路完整输出高于截止频率的信号成分并不产生较大相位移，则有源高通滤波电路的功能就会更趋于理想状态。

本次课程设计是我们的第一次课程设计，在设计过程中我们遇到许多不懂的专业知识，大家都是在网上查阅了解，所以在以后的实践设计中希望老师能够多加指导，这样可以帮我们节省更多时间，提高做设计的效率，但也因为这样才使得我们有更多的机会去独立思考和实践。希望学校以后能够给我们更多这样的实践机会，这样才能真正的加强我们的专业技能，为以后的工作奠定好基础。

本次课程设计也改变了我们对专业知识的认识，加深了对专业知识的了解，从本质上加强了我们对专业的兴趣。在以后的课程设计中希望学校尽量出一些往届没有做过的课题，不能从网上找到一模一样的题目，这样才能真正考验同学们的能力，让我从全新的设计中学习更多的知识。

七、参考文献

【1】熊幸明，张跃勤，张文希，郭民利，雷敏.[M].清华大学出版社

【2】康华光，邹寿彬，秦臻. 电子技术基础[M]. 华中科技大学出版社

【3】梅开乡，梅军进.子电路设计与制作[R].北京理工大学出版社

【4】张华林，周小方.电子设计竞赛实训教程[M].北京航空航天大学出版社