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基于运算放大器的带通滤波器的设计与物理实现院系：机电与自动化学院专业班：自动化0902班姓名：卢扬学号：20091184054指导教师：刘政廉、何为2013年5月基于运算放大器的带通滤波器的设计与物理实现DesignandPhysicalImplementationofBand-passFilterBasedonOperationalAmplifierI摘要几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号处理问题。滤波器作为信号处理的重要组成部分，已发展的相当成熟。有源带通滤波器以其良好的幅频特性，在信号的分析与测量中得到广泛应用。根据标准有源带通滤波器原理，采用频域分析法，可得出有源带通滤波器的特征频率计算公式。本论题基于实际要求的基础上，设计了一个中心频率500Hz，增益为1，通频带20Hz的带通滤波器。这里分别介绍了运算放大器和低阶滤波器的工作原理以及高阶滤波器中比较常用的巴特沃兹响应及切比雪夫响应。并在FilterPro的开发环境下采用级联设计方法设计了一个符合要求的高阶有源带通滤波器。由于要求滤波通频带较窄，以及陡峭的截止频率，本设计采用性能理想的uA741，在Tina-Ti环境下进一步对仿真电路元件参数进行趋近实际的整定，并同时模拟输入了有效信号与干扰信号，得到了符合要求的输出波形。最后在理想的幅值特性数字仿真的基础上进行实际电路的搭建与调试。关键词：有源窄带带通滤波频域分析幅频特性高阶带通滤波器IIAbstractActiveband-passfilterwithgoodfrequencycharacteristics,widelyusedinsignalanalysisandmeasuring.Accordingtotheprincipleofactiveband-passfiltercriteria,usingfrequencydomainanalysis,aformulatocalculatecharacteristicfrequenciesoftheactiveband-passfilter.Thisthesisbasedontheactualrequirements,havedesignedaband-passfilterwithcenterfrequencyof500Hz,gainof1,andpassband20Hz.HereintroducesButterworthandChebyshevresponsecommonresponseprincipleofoperationalamplifierandfilterofloworderandhighorderfilter.AndintheFilterProdevelopmentenvironmentusingcascadedesignmethodisdesignedtomeettherequirementsofahighorderactiveband-passfilter.Becauseoftherequirementsoffilterpassbandisnarrow,andthesteepcut-offfrequency,thisdesignusesthepropertiesoftheidealuA741,intheTina-Tienvironmentfurthertuningapproachtheactualsimulationofthecircuitparameters,andatthesametimetheanaloginputoftheeffectivesignalandinterferencesignal,hasbeeninlinewiththerequirementsoftheoutputwaveform.Finally,buildinganddebuggingoftheactualcircuitbasedonidealdigitalamplitudecharacteristicsimulation.Keywords:activenarrow-bandband-passfilterfrequency-domainanalysisamplitude-frequencycharacteristicshighorderband-passfilterIII目录摘要………………………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………………………………II绪论……………………………………………………………………………………11带通滤波器简介及设计方案………………………………………………………21.1滤波器简介………………………………………………………………………21.2有源带通滤波器的设计要求指标………………………………………………31.3方案选择与讨论…………………………………………………………………32低阶有源带通滤波器设计…………………………………………………………42.1运算放大器简介…………………………………………………………………42.1.1理想运算放大器………………………………………………………………52.2利用传递函数分析低阶有源滤波器……………………………………………62.3典型二阶有源带通滤波器………………………………………………………82.3.1KRC带通滤波器………………………………………………………………82.3.2多重反馈带通滤波器…………………………………………………………92.3.3状态变量和双二阶带通滤波器………………………………………………103高阶有源带通滤波器设计…………………………………………………………143.1滤波器近似………………………………………………………………………143.2基于FilterPro的级联设计与Tina-Ti的仿真波形和分析结果………………174系统整体调试……………………………………………………………………214.1音频信号发生电路………………………………………………………………214.2音频信号接收电路………………………………………………………………214.3系统整体电路图与滤波结果分析………………………………………………22结论…………………………………………………………………………………25致谢…………………………………………………………………………………26参考文献…………………………………………………………………………………27附录1基于msp430的音频信号发生程序…………………………………………291绪论随着数字化进程的不断推进，数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。所有数字系统的前端，一般需要一个对微弱信号预处理的部分；在抽样量化之前，还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。这些都只能使用模拟滤波器。RC有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。其标准化电路的种类很少，仅使用及R、C元件，因此非常便于集成，这给推广应用带来革命性影响。因为不使用电感、特别是大型电感，也因为运放在性能的飞速提高的同时价格却一降再降，所以在成本方面有源滤波器已经变得比无源滤波器还有优势。在这个课题的研究中我们也同时认识到，小型化和集成化推动了RC有源滤波的发展，虽然集成电阻的精度和稳定性都很差，但在小信号处理方面，RC有源滤波器依然具有成本少，电路体积小，性能稳定、易于调试、负载效应小等诸多优势，因此仍在市场占主要份额[5]。本文基于这一点由浅入深地介绍了低阶乃至高阶滤波器的工作原理及结构，以及高阶滤波器的几种逼近响应与设计方法，在不同的开发环境下设计方案的优劣对比。以基于实现巴特沃斯逼近的带通波器设计为例，完成了其设计过程，并简要介绍了两款TI公司的电子仿真软件Tina-Ti与FilterPro，在典型有源滤波器的设计上具有一定的指导意义。在本课题的设计过程中，笔者发现，对高电阻精度的要求，以及改变参数时需要更换元件的不易性，都限制了基于模拟集成电路设计的有源滤波器的发展。一个合适的解决方案是采用开关电容滤波器。开关电容滤波器(SwitchedCapacitorFilter简称SCF)无需更换元件，只需改变时钟频率和编程引脚电平就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和Q值，这给滤波器的设计、使用带来很大方便[6]。但同时，SC滤波器受开关噪声和时钟噪声影响，在没有输入信号的情况下，输出有比较大的噪声信号。本文仅在此提出一种基于有源滤波器缺陷上的解决方案，不再做进一步的探讨。21带通滤波器简介及设计方案1.1滤波器简介滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。它是由集成运放和R、C组成的有缘滤波电路的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。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[7]。滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种：（1）按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。（2）按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，比较特殊的有梳形滤波器，梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带[9]。基于本课题的讨论范围，以下仅对有源带通滤波器做进一步的介绍。31.2有源带通滤波器的设计要求指标带宽要求：490Hz~510Hz；中心频率：500Hz；中心频带增益：0A=1；带外抑制比要求：=-40dB/dec。1.3方案的选择与讨论在多数有源带通滤波器的设计当中，低阶（一、二阶）带通滤波器的直接设计，高阶（三阶及以上）带通滤波器的级联设计占了主流。低阶有源带通滤波器在高精度要求下的滤波效果不够好，但设计简单，系统较高阶滤波器受外界的影响更小。而高阶有源带通滤波器一般无法靠人工计算设计得来，需借助专业设计软件如Matlab、FilterPro等进行设计，但在滤除杂波性能上更为理想。在低阶带通滤波器范畴中，为适应不同的工作场合，各种不同结构的带通滤波器广为应用，其中典型的有KRC带通滤波器、多重反馈带通滤波器、状态变量带通滤波器、双二阶带通滤波器等。而高阶滤波器的设计方案需在相应软件的基础上选取合适的近似响应，不同的近似响应会得到不同的幅频特性曲线。例如基于巴特沃兹近似的高阶带通滤波器能够在通频带得到最平坦的响应；而切比雪夫近似则是以牺牲通频带的平坦性为代价换取陡峭的过渡带特性；考尔近似更是将截止带的平坦度一并牺牲带来换取更为理想的过渡带特性。此外还有其他的近似响应，但这种三种响应已包含了较大多数的现实情况，所以不再多做赘述。在下面章节我们将对每一方案进行可行性的分析与讨论，由于要求设计基于运算放大器的带通滤波器的设计，所以不再讨论无源RC滤波电路，并