测控电路第04章-信号分离电路

1第4章信号分离电路一、滤波器的分类二、RC有源滤波电路三、有源滤波器设计2一、滤波器的分类1.按阶次分类0101)(asabsbsH01110111)()()(asasasabsbsbsbsUsUsHnnnnmmmmio01220122)(asasabsbsbsH一阶滤波器二阶滤波器32.按选频特性分类•二阶低通滤波器一、滤波器的分类0120)(asasbsH200220)(SSKsHp固有频率0通带增益pK阻尼系数020200202020220220arctanarctan)()()()(pKA420lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33lg(ω/ω0)/(°)0°5•二阶高通滤波器2.按选频特性分类一、滤波器的分类20022)(SSSKsHp02020020202022022arctanarctan)()()()(pKA6lg(ω/ω0)α=2.5-1010°90°180°α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1/(°)20lgA/dBlg(ω/ω0)-20020α=0.1α=0.2α=0.33α=0.5α=0.8α=1.25α=1.67α=2.5-101-407•二阶带通滤波器2.按选频特性分类一、滤波器的分类20020)/()/()(SQSSQKsHp02020020202022020)(arctan2)(arctan2)()/()()/()(QQQQKAp品质因数0Q8-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)20lgA/dBlg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=10009•二阶带阻滤波器2.按选频特性分类一、滤波器的分类2002202)/()()(SQSSKsHp)(arctan)()/()()(2020202202202QQKAp1001-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(ω/ω0)-40-6020lgA/dB0-1-101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1lg(ω/ω0)/(°)11•二阶全通滤波器（又称移相器）2.按选频特性分类一、滤波器的分类20022002)()(SSSSKsHp0202002020arctan22arctan2)()(pKA123.按逼近方式分类•巴特沃斯逼近一、滤波器的分类幅频特性在通带内最为平坦，且单调变化，幅频特性为转折频率阶数cncpnKA2)/(1)(133.按逼近方式分类•巴特沃斯逼近一、滤波器的分类n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为nkNnsssKNnssKsHkNkckccccpNkckccp2/1212sin22sin212221222式中140.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)3种巴特沃斯低通滤波器频率特性15•切比雪夫逼近3.按逼近方式分类一、滤波器的分类•贝赛尔逼近允许通带内有一定的波动量△Kp，阻带内衰减特性陡，选择性好，且波动越大，选择性越好。使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近常量，保证相频特性引起的相位失真最小。16ω/ω000.51221341.0A-180°-360°0121234ω/ω01——贝塞尔滤波器2——巴特沃斯滤波器3——通带波动为0.5dB的切比雪夫滤波器4——通带波动为2dB的切比雪夫滤波器几种低通滤波器的频率特性比较174.按电路组成分类•LC无源滤波器•RC无源滤波器•RC有源滤波器一、滤波器的分类频率选择特性好，损耗小，适用于高频场合。体积小，频率选择特性差，仅用于低性能滤波。体积小，提供一定的增益，低频场合应用广泛。18uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N一阶二、RC有源滤波电路1.压控电压源型滤波电路24315432121])1([)()(YYYKYYYYYYYYKsHff19∞+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1低通200220)(SSKsHp2121221211221211)111()(CCRRsCRKCRCRsCCRRKsHff一般形式•低通滤波器二、RC有源滤波电路1.压控电压源型滤波电路222110212100111111CRKRRCCCRRRRKKffp20uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2∞+-+N20022)(SSSKsHp2121221211221)111()(CCRRsCRCRCRKssKsHff一般形式•高通滤波器二、RC有源滤波电路1.压控电压源型滤波电路112120212100111111CRKCCRCCRRRRKKffp21ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N一般形式•带通滤波器二、RC有源滤波电路1.压控电压源型滤波电路20020)/()/()(SQSSQKsHp22R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+N一般形式•带阻滤波器二、RC有源滤波电路1.压控电压源型滤波电路2002202)/()()(SQSSKsHp23∞-++NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)二、RC有源滤波电路2.无限增益多路反馈型滤波电路325432121)()(YYYYYYYYYsH24∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)•低通滤波器二、RC有源滤波电路2.无限增益多路反馈型滤波电路325432121)()(YYYYYYYYYsH25∞-++NR2C1C3C2R1Ruo(t)ui(t)•高通滤波器二、RC有源滤波电路2.无限增益多路反馈型滤波电路26∞-++NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)•带通滤波器二、RC有源滤波电路2.无限增益多路反馈型滤波电路27∞-++N1∞-++N2∞-++N3R1R0R2C1R3R4R5ui(t)C2u3(t)u2(t)u1(t)3.双二阶环滤波电路(1)低通与带通滤波电路二、RC有源滤波电路2821431512221430511CCRRRRsCRsCCRRRRsH200220)(SSKsHp一般形式29∞-++N1∞-++N2∞-++N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2(2)可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路30一般形式31(3)低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路∞-++N1∞-++N3∞-++N2∞-++N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C11pxK32主要包括以下四个过程：确定传递函数选择电路结构选择有源器件计算无源元件参数三、有源滤波器设计331.传递函数的确定（1）选择一种逼近方法•巴特沃斯逼近•切比雪夫逼近•贝赛尔逼近（2）确定电路阶数。来确定滤波电路的阶数、、给定的有一定要求时，按照对通带增益与阻带衰耗prpKω/ω000.51221341.0A-180°-360°0121234ω/ω034ncpKA2)/(1)(•巴特沃斯逼近幅频特性设计巴特沃斯低通滤波器时，可采用下式确定阶数：35（3）确定传递函数巴特沃斯逼近传递函数12sin22sin2)(22212221NnsssKNnssKsHcKccNKccpcKccNKp)2/()12(nKK其中362.电路结构的选择•压控电压源型滤波电路•无限增益多路反馈型滤波电路•双二阶环滤波电路3.有源器件的选择（1）有源器件存在的问题（2）有源器件的选择•器件特性不理想•器件引入噪声•按信号带宽范围，选择增益带宽足够高的器件；•按信号幅值范围和信噪比要求，选择噪声足够低的器件。——限制有用信号的频率上限；——限制有用信号的幅值下限。37∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)f/Hz100100~1000(1~10)k(10~100)k100kC1/uF10~0.10.1~0.010.01~0.001(1000~100)×10-6(100~10)×10-64.无源元件参数计算（1）图表法以无限增益多路反馈二阶巴特沃斯低通滤波器为例：•在给定的fc下，参考下表选择电容C1；38pKk/1rk/2rk/3rCC21/126103.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.18016.2520.20.150.050.033•根据C1的实际值，按下式计算电阻换标系数K：K=100/fcC1•由表确定C2及归一化电阻值ri，再换算出Ri=Kri，其中i=1，2，3。39精度为5％的碳膜电阻，以欧姆为单位的标称值：1.05.6331608203.9K20K100K510K2.7M1.16.2361809104.3K22K110K560K3M1.26.8392001K4.7K24K120K620K3.3M1.37.5432201.1K5.1K27K130K680K3.6M1.58.2472401.2K5.6K30K150K750K3.9M1.69.1512701.3K6.2K33K160K820K4.3M1.810563001.5K6.6K36K180K910K4.7M2.011623301.6K7.5K39K200K1M5.1M2.212683601.8K8.2K43K220K1.1M5.6M2.413753902K9.1K47K240K1.2M6.2M2.715824302.2K10K51K270K1.3M6.8M3.016914702.4K11K56K300K1.5M7.5M3.3181005102.7K12K62K330K1.6M8.2M3.6201105603K13K68K360K1.8M9.1M3.9221206203.2K15K75K390K2M10M4.3241306803.3K16K82K430K2.2M15M4.7271507503.6K18K91K470K2.4M22M5.130405.设计举例。处至少衰减止频率且保持平坦，在阻带截通带内增益，要求通带截止频率试设计一低通滤波器，20dB150010001000HzKHzrpp10)1000/1500(1)/(1)(22pnpnprpKKKA（1）传递函数的确定计算得n=5.7，实际可取n=6222222222125sin2123sin212sin2)(cccccccccpssssssKsH41（2）电路结构的选择∞+-+NR0Rui(t)C1C2R2R1选用二阶压控电压源型