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信号处理电路—通用滤波器设计

2012-07-12 09:36阅读:


信号处理电路—通用滤波器设计


一、 课程设计内容与目的:
内容:
·信号处理电路,设计通用滤波电路(带通、阻带、高通、低通)
目的:
·(1)了解集成运算放大器在信号处理方面的应用;
·(2)掌握由集成运放构成通用滤波电路的设计和调试方法及频谱特性的测量方法。
·(3)创新点:通用,频率可调整

二、 实验仪器与说明:
考虑到这是利用软件,其实只要一台微机,加上用到的软件EWB.
电路中具体用到的也比较单一,而且较少。
·集成运算放大器 LM741 若干
·电阻若干
·电容若干
·开关若干

三、 基本原理:
最基本的无非就是低通,高通,带通,带阻等滤波电路。
其电路连接和参数计算在下面都有详细说明。(具体见3-4页)
在后面设计中将不再重复。
这里要说明的是,所谓的频率可调其实比较容易实现。在基本电路和参数的说明中不难发现,截止(或者中心)频率与电容值、电阻值成反比关系。即:
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调节其中任何一个都将起到设想的效果。这是在实验中实现频率可调的根本所在。不过,还有一点就是通(阻)带宽的问题,因时间关系,这里仅作原理性的说明,在实验中不作主要考虑。注意到带宽与中心频率成正比,而且还与品质因数(或者通带放大系数)有关,具体定量关系可以参见基本原理说明部分。
在本实验中主要采用调节电阻

注:所有定量关系都在在原理中做了说明。在具体实现时的论述中将不再重复。

基本滤波电路
1、简单二阶低通滤波器

电路如图所示:
具体参数:
放大倍数 为:
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传递函数为:
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通带截止频率为:
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右边的两条曲线为该电路对应参数下,模拟所得到的频率响应,分别对应幅频特性和相频特性。

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单端正反馈型二阶低通滤波器
简单的二阶低通滤波器在 时幅频特性的衰减较大,但是在 处与理想特性有较大差别,因此可以采用单端正反馈型二阶低通滤波器。其实只要将输出端与第一个电容相接即可。
具体参数为:
通带电压放大倍数: 信号处理电路—通用滤波器设计
传递函数: 信号处理电路—通用滤波器设计
通带截至频率: 信号处理电路—通用滤波器设计
品质因数: 信号处理电路—通用滤波器设计

2、简单二阶高通有源滤波器

电路连接如图所示:
几个参数的计算:
通带电压放大倍数 :
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传递函数:
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通带截止频率:
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右边两条曲线分别对应该电路的幅频特性和相频特性
信号处理电路—通用滤波器设计
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单端正反馈二阶高通滤波器
连接电路是:第一个电阻由接地改为与输出端相连。

具体参数:
通带电压放大倍数 : 信号处理电路—通用滤波器设计
传递函数: 信号处理电路—通用滤波器设计

通带截止频率:
品质因数:

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3、二阶带通滤波器
电路连接如图所示
具体参数:

传递函数:
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其中 信号处理电路—通用滤波器设计
为同相比例放大电路的电压放大倍数

中心频率和通带放大倍数:
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通带截止频率和通带宽度:
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品质因数:
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两条曲线为该电路在图示参数下的幅频特性和相频特性
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4、带阻滤波电路
电路连接如图所示:
具体参数如下:

通带电压放大倍数:
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传递函数:
信号处理电路—通用滤波器设计
中心频率:
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通带截止频率和阻带宽度:
信号处理电路—通用滤波器设计 信号处理电路—通用滤波器设计
品质因数: 信号处理电路—通用滤波器设计
两条曲线为该电路在图示参数下模拟得到的幅频特性和相频特性。

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四、 整体设计:
当在基本原理清楚之后,该题目的难点在于如何将这四种简单滤波电路综合在一起。
这里约定起滤波作用的电容电阻组合称为滤波子电路,在实际滤波器中它是作为集成运放的输入的。这里提供四种思路
方案1: 将四个基本电路简单的放在一起,输入端接到一处。分四路输出。思路简单。容易理解实现。将每个基本电路中的电阻换成滑动变阻器,即可实现频率可调。其效果可参见原理中频率公式。不过考虑到二阶电路,对应电阻要同时调节,比如在低通中R1和R2可以用同一个键控制滑动(这在EWB中是可以实现的)。这种连接方法,不能体现综合的作用。因此意义不大,这里仅作说明,没有必要讨论。(见图方案1.ewb)

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方案2:只用一个集成运放。可以通过开关选择滤波端起滤波作用的电路。
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这里是将四种滤波子电路相互串连后接到集成运放的输入端。当我们想利用高通时,另外三个用开关将它们短路,也就是不接入电路中。这样可以在不同的开关控制下选择想要的滤波作用。可以实现频率可调,具体实现情况将在下面讨论。
方案3 :尽量减少元器件的个数。目的与思路2差不多,不过实现起来大不相同,这里只用两个电容,运放还是用到了4个,不过反馈用的比较多,因此电阻比较多。但是,电容 在一个小电路中如果减少了电容个数,其好处是不言而喻的。可以实现频率可调,具体实现在下面讨论。

信号处理电路—通用滤波器设计
方案4:低通滤波器较易实现,运算放大器与RC环节简单组合,即可构成不同形式的低通有源滤波器。而高通滤波器与低通滤波器具有对偶性,只要将电路中滤波环节的电容替换成电阻,电阻替换成电容,就可得高通滤波器。将低通滤波器和高通滤波器串联,又可实现带通滤波功能。至于带阻滤波,可将输入电压同时作用于低通和高通滤波器,再把两个电路得输出电压求和得到。也就是说四种滤波器之间满足简单的运算关系,可以较容易地达到转换。
方案5:利用通用二阶滤波电路的思想。这里讲一下思想,首先让我们看一下,电路示意老师在课堂上已经介绍过了,这里不再重复,确定转移函数后(转移函数的确定可以利用比较直观的零点、极点分析法,比如低通滤波器的零点为零),便可以赋予不同的Y以不同的任务。如果与思路2相结合考虑,利用开关去选择,这也是不难实现的。

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五、 具体实现、调试与结果
方案1总图见图“方案1.ewb”: 利用三端运放设计二阶有源滤波器。其截止频率可以调整。
1. 二阶低通有源滤波器(见图‘低通’)。品质因素Q值为0.7,f>>f0处的衰减速率不低于30Db/10倍频。
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