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目录1、设计任务和设计要求.......................................................................................................21．1设计任务................................................................................................................21．2设计要求................................................................................................................21．3题目评析................................................................................................................22、方案比较与论证...............................................................................................................32．1滤波单元设计........................................................................................................32．2增益放大单元设计................................................................................................32．3频率波形提取单元设计........................................................................................33、系统硬件设计...................................................................................................................43．1系统的总体设计....................................................................................................43．2系统的单元设计.................................................................................................43.2.1低频滤波器的设计.......................................................................................43.2.2可控增益放大器单元设计...........................................................................63.2.3频率波形提取单元的设计...........................................................................74、系统仿真.........................................................................................................................104．1低频滤波器单元的仿真......................................................................................104．2可控增益放大器单元的仿真..............................................................................114．3频率波形提取单元的仿真..................................................................................114．4一、二级单元串联运行......................................................................................125、结论.................................................................................................................................136、参考文献.........................................................................................................................14附录一电路原理图.............................................................................................................14附录二PCB板电路.............................................................................................................14摘要：本设计是一个可控制的滤波放大电路，主要由三个环节构成：四阶巴特沃兹带通滤波器、可控增益的增益放大器和开关电容带通滤波器。实现的是对于100——5000hz低频信号的滤波放大，及最后开关电容滤波器带通滤波选取某频段的波形，同时给予可控增益完成信号的放大。关键词：巴特沃兹滤波器可控增益放大切比雪夫滤波器1、设计任务和设计要求1．1设计任务对于信号处理需要进行滤波和放大，而现有的滤波放大器的可控性能不高，现要求设计一个简单的可控滤波放大电路，实现对放大增益的可控制，并且能够完成带通滤波和某一平率波形的简单提取。1．2设计要求输入信号选在低频区，带通滤波范围在100Hz——5kHz。带通滤波增益有明显的变化，范围在40dB——70dB之间即可。滤波区间变化较为平坦，频段提取的中心频率增益不小于10dB，提取频率2000Hz。1．3题目评析题目的重点在于滤波和放大，难点在于可控增益的放大和滤波性能的要求。要求设计的电路主要的功能就是滤波和控制放大，而如何做到滤波器性能的要求是滤波器设计主要难点，而可控增益放大器则需要完成如何在要求范围内完成放大增益分贝。题目的实用价值在于现代通讯和传感器领域中要求对信号做出处理，而放大和滤波两种基本处理应用非常广泛，实现增益控制和滤波控制将为自动控制系统实现很大的便利性，尤其是可编程控制的放大滤波器的运用会非常的灵活方便，若是结合单片机的使用，将极大的提高系统的自动化程度。本设计的创新之处在于结合巴特沃兹滤波器、AD603芯片和MAX274芯片，实现了滤波放大和单一频率的波形提取，整体设计在参数计算工作量大大减少，而且在灵活性的基础上实现了设计要求，可以运用在电机和变压器对三次谐波的监控或是信号中的谐波分析。2、方案比较与论证2．1滤波单元设计方案一：无源滤波RC无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是RC参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。方案二：有源滤波器有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。有源滤波能够滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。选用TI公司的LM324进行滤波单元的设计。2．2增益放大单元设计方案一：使用数字电位器和普通运放组成放大电路。通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可变增益。这种方案硬件实现较简单,但限于数字电位器的精度较低、档位有限,这种方案很难实现增益的精确控制,同时数字电位器受信号的带宽限制,在运放环路中会影响整个系统的通频带宽。方案二：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器，便于对放大增益的较精确控制，同时可以降低干扰和噪声。综上所述,本设计采用方案二,AD603是一款低噪声,精密控制的可变增益放大器,温度稳定性高,最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度,其增益(dB)与控制电压V呈线性关系。2．3频率波形提取单元设计方案一：使用集成运放组成的带通滤波器，使中心频率对应要求的提取频率，此处使用切比雪夫响应的滤波器较好，但是集成运放在通带频率和阻带频率的确定较困难，而且切比雪夫滤波器虽然有很好的下降性，但是滤波的波纹较大，参数设计复杂，精度难以提高。方案二：使用开关电容滤波器组成的带通滤波器，开关电容具有数字滤波器的离散特性，但是不必像数字滤波器那样进行AD和DA转换，可以对模拟信号直接处理，而且速度和精度都大幅度提高，因此本设计采用的是开关电容滤波器进行频率波形提取。3、系统硬件设计3．1系统的总体设计对于设计要求，单一模块无法完全达到，因此需要多级模块串联工作，分步完成，因此系统总体由三个设计单元串联组，如方框图3.1所示图3.1系统总体方框图设计为三个单元串行连接，一级单元的输出是下一级单元的输入，对于系统的总体要求由每一块单元单独执行。其中控制电路单独对增益进行控制，若滤波同样采取开关电容滤波器，则完全可以实现可控滤波的操作，即对滤波器进行编程操作或者以不同的时钟脉冲输入滤波器控制截止频率，但是这需要单片机或者逻辑器件的辅助。最后开关电容对处理后的波形在此滤波，提取出指定频率的波形来。3．2系统的单元设计3.2.1低频滤波器的设计低频滤波器是一个带通滤波器，设计要求希望滤波器的响应足够平坦，因此选用巴特沃兹滤波器，使用一个巴特沃兹低通滤波器和一个巴特沃兹高通滤波器串联组成巴特沃兹带通滤波器。对于单一的巴特沃兹低通滤波器，在2fc处有较大的衰减，这里设定为在2fc处信号衰减为-30dB，则有滤波器阶数：低频滤波增益放大频率波形提取控制电路N=A20logΩ其中A为衰减分贝，Ω为在2fc处的归一化频率。可得n=2.16，定阶数为二阶。根据频域的对称性原则，巴特沃兹高通滤波器的阶数也为二阶，组成的是四阶巴特沃兹带通滤波器。二阶巴特沃兹滤波器电路如图3.2.1所示，巴特沃兹滤波器的传递函数为：Aω(s)=Asωωc2s2+ωcQs+ωc2其中ωc=1RC是滤波器的截止频率，Asω=1+R1R2是滤波器的放大增益。把品质因数定为Q=0.707，电容选用1nF，已知低通滤波器的截止频率为5000Hz，则可求出R1R2=0.5856，R=31.84k，对于集成运算放大器，要求两输入端的输入电阻对称，故2R=R1//R2，解得R1=172k，R2=101k。所得电路如图3.2.2所示图3.2.1巴特沃兹二阶低通滤波器图3.2.2设计得到的电路图U2ALM324D321141R231.84kΩC51nFR331.84kΩR4172.423kΩC61nFR5100.971kΩVCC5VVEE-5V巴特沃兹二阶高通滤波器电路图如图3.2.3所示图3.2.3巴特沃兹二阶高通滤波器巴特沃兹二阶高通滤波器传递函数为：Aω(s)=Asωωc2s2+ωcQs+ωc2截止频率ωc=1RC滤波器放大增益