dsp论文_二阶带通滤波器

1目录引言...........................................................................................................................21模拟带通滤波器设计...........................................................................................31.1概述..............................................................................................................................31.2滤波器的分析..............................................................................................................31.3工作原理......................................................................................................................32二阶低通滤波器的设计及制作...........................................................................42.1二阶带通滤波器设计..................................................................................................42.1.1原理图设计分析（见附录）................................................................................42.1.2芯片介绍................................................................................................................52.1.3中心频率的计算.......................................................................................................53基于MATLABGUI的数字滤波器设计思路及实现................................................83.1GUI界面设计概述.....................................................................................................83.1.1、控件风格和外观....................................................................................................83.1.2对象的常规信息.......................................................................................................83.1.3控件回调函数的执行...............................................................................................93.1.4、控件当前状态信息................................................................................................93.1.5IIR滤波器简介........................................................................................................113.1.6IIR滤波器设计原理.................................................................................................113.1.7IIR滤波器设计思想................................................................................................113.1.8利用完全设计法设计数字滤波器的步骤：.........................................................123.2运行和结果显示........................................................................................................124总结......................................................................................................................16谢辞......................................................................................................................17附录......................................................................................................................192引言滤波是将信号中特定波段频率进行滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。其在信号处理中使用非常广泛。所谓滤波器，就是对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路。模拟滤波器的理论和设计方法相当成熟，设计时可以选用典型的模拟滤波器，如巴特沃斯滤波器、契比雪夫滤波器、椭圆滤波器、贝赛尔滤波器等，它们有严格的设计公式和现成的曲线和图表可供参考，巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性；切比雪夫滤波器的幅频特性在通带和阻带内有波动，可以提高选择性。MATLAB语言及其工具箱，其将一个优秀软件包的易用性与可靠性，通用性和专业性，以及一般目的的应用和高深的专业应用近乎完美地集成在一起。并凭借其功能强大，技术先进和应用之深广，使其逐渐成为国际性的计算标准，为世界各地超过20万名科学家和工程师所采用。利用MATLAB软件，可以使滤波器的设计比较简单易于实现，因此，本文借助MATLAB软件来进行应用研究。本文是基于模拟低通滤波器的原型，通过巴特沃斯、切比雪夫I、切比雪夫II型的具体算法来实现模拟带阻滤波器的设计，并通过和直接利用MATLAB软件中已经成熟的函数实现的方法相比较，以验证理论学习过程中的相关算法的正确性，同时也显示该软件在仿真中的强大功能，表明模拟滤波器的设计已经非常成熟和高效率，而且结果稳定、可靠。我们坚信：随着MATLAB软件在信息技术中的不断推广和使用，将会使科技工程人员从各类烦琐的计算工作中解脱出来，有时间斯考和研究更重要的问题，这必将为科技的进步起到巨大的推动作用31模拟带通滤波器设计1.1概述带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLCcircuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生.无源滤波器通常由RLC元件组成，有源滤波器有电阻，电容和运算放大器组成。1.2滤波器的分析滤波器按元件分类分为无源滤波器和有源滤波器两种：（1）无源滤波器：由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成。（2）有源滤波器：一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用，利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。滤波器的阶数越高，幅频特性越好，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于N阶为偶数的高阶滤波器，可以由N/2节二阶滤波器级联而成；而N为奇数的高阶滤波器可以由(N-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。1.3工作原理一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，4这种效应称为吉布斯现象。除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。2二阶低通滤波器的设计及制作2.1二阶带通滤波器设计由上概论可知，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于N阶为偶数的高阶滤波器，可以由N/2节二阶滤波器级联而成；而N为奇数的高阶滤波器可以由(N-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。可是难度也会越加困难。所以，现在选择二阶电路来设计此带通滤波器。2.1.1原理图设计分析图2.1电路原理图51.内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)2.电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V)低功耗电流，适合于电池供电3.低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围4.输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)2.1.2芯片介绍本次试验主要用到的元器件有LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。图2.4LM358管脚图2.1.3中心频率的计算（a）电路图(b)幅频特性图2.2电路图以及幅频特性工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高