课程设计（论文）二阶有源高通滤波器的设计.docx

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1、摘要：二阶高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。高通滤波器有综合滤波功能，它可以滤掉若干次高次谐波，并可减少滤波回路数。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。其在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。本设计为分别使用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计二阶高通滤波器。二者电路都是基于芯片UA741设计而成。将信号源接入电路板后，调整函数信号发生器的频率，通过观察示波器可以看到信号放大了2倍。本项目所做的高通滤波器的功能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，得到一个特定频率或消除一个特定频率，让有用信号尽可能无衰减的

2、通过，对无用信号尽可能大的衰减，即：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频。本项目所做的高通滤波器的功能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，得到一个特定频率或消除一个特定频率，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。关键词：高通滤波器，二阶，有源，无源，增益。Abstract：Second-order high-pass filters is to allow high frequency signals through, but weakened (or reduce) frequencies below the cutoff frequency signal

3、passes through a filter. High-pass filter integrated filter function, it can filter out a number of high-order harmonics, and reduce the filter circuit. For purposes of different filters, each frequency signals weakened to varying degrees. Its audio bass or noise elimination filter filters are also

4、used in the application. This design uses voltage-controlled voltage source and infinite gain multiple feedback design of second-order high-pass filter in two ways. Both circuits are based on chip UA741 designed. After the signal source connected to the circuit board, adjust the frequency of functio

5、n signal generator, can be seen by observing the oscilloscope signal amplification by a factor of 2 times. This project done in high-pass filter function is the specific frequency of the frequency or the frequency outside the frequency filter, a particular frequency or elimination of a specific freq

6、uency, so the useful signal as much as possible without attenuation of the signal through the useless, as large as possible attenuation, namely: it allows signal high frequency components through。Keywords：High-pass filter, second-order, active, passive, gain. 目 录1前言.12总体方案设计 22.1 方案比较.22.2 方案论证与选择.3

7、 2.2.1 方案一3 2.2.2 方案二4 2.2.3 方案论证53单元模块设计.63.1 各单元模块功能介绍及电路设计.63.1.1 设计分析.63.1.2 电路原理与设计模型7电路参数的计算与元器件的选择.7参数计算.73.2.2 元器件的选择73.3 特殊器件介绍.84 系统调试.114.1 调试环境.114.2 硬件调试.11调试方法与过程.11 调试结果.115系统功能、指标参数.145.1 系统能实现的功能.145.2 系统指标参数测试.14系统功能及指标参数分析.15 系统功能.15 5.3.2 数据处理与误差计算.15 5.3.3误差分析.156结论与体会.167谢辞（致谢）

8、.178 参考文献18附录：系统电路仿真总图191前言 高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。一个滤波器滤除一个复杂信号中不想要的低频成份同时让高频信号通过是很有用的（当然，低和高频率的含义是相对于滤波器设计者所选择的截止频率而言的），这样的滤波器能够把高频率的声音引导至专用高音喇叭(tweeter),并阻止可能干扰或者损害喇叭的低音信号。使用线圈而不是电容的低通滤波器也可以同时把低频信号引导至低音喇叭(woofer)。高通滤波器也用于数字图像处理中在频域中进行变换。本项目所做的高通滤波器的功能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，得到一

9、个特定频率或消除一个特定频率，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减，即：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频。现在工厂对于谐波的治理,应用最多的仍然是高通无源滤波器,高通无源滤波器有多种接线方式,其中单调谐滤波器及二阶高通滤波器使用最为广泛,无源滤波器具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点,为了锻炼我们的动手实践能力和更深的理解所学知识，提出设计高通滤波器的方案。 设计目标1分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；2截止频率fc=100Hz3 增益AV2；4 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（12V）。1.了解滤波

10、器的工作特点 2掌握电子系统的一般设计方法 3掌握常用元器件的识别和测试 4培养综合应用所学知识来指导实践的能力 5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 6进一步提高自己的动手实践能力 7掌握专业课程设计报告的格式及流程 2 总体方案设计 通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我提出了一下方案实现实验功能，下面我将此方案做一定说明。1、方案一、用压控电压源设计二阶高通滤波电路图1：压控电压源二阶高通滤波电路2、方案二 用无限增益多路反馈设计高通滤波电路。图2：无限增益多路反馈设计高通滤波电路 1、方案一、用压控电压源设计二阶高通滤波电路与LPF有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可

11、得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路采用压控电压源二阶高通滤波电路。参数计算为: 通带增益： Aup表示二阶高通滤波器的通带电压放大倍数 截止频率：品质因数： 2、方案二 用无限增益多路反馈设计高通滤波电路。其中： ,通带增益： 截止频率： 品质因数： 根据设计任务要求设计一个二阶高通滤波电路，频率高于100Hz的信号可以通过， 而频率低于100Hz的信号衰减。由输出量与输入量之比为传递函数即Au(s)=Uo(s)/Ui(s)=1/(1+sRC)则可采用压控电压源二阶高通滤波电路，或无限增益多路反馈高通滤波电路 方案一采用压控电压源二阶高通滤波电路，由桥式整流电容滤波集成稳压

12、块电路设计电路提供所需的正负直流电源（12V）。电路如图3所示，其传输函数为： 归一化的传输函数： 其中： ，为品质因数。 通带增益： 截止角频率： 截止频率：品质因数：方案二采用无限增益多路反馈高通滤波电路，由桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路提供所需的正负直流电源（12V）。电路如图4所示,该电路的传输函数为： 归一化的传输函数： 其中： ,通带增益： 截止角频率： 截止频率： 品质因数： 方案论证两种方案相比较，第一种方案参数设计较第二种方案更为容易设计，并且第一种方案的所用器材都很容易就能够买的到，而且第一种方案更容易做实验。所以我选择第一种方案。3 单元模块设计 本节主要介绍系统

13、各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍与电路设计 本小节可以大致分为3个部分，第一部分为稳压电源单元电路设计与整流与问她过程；第二部分为滤波器的流程设计以及传递函数的技术处理；第三部分为电路原理与线路实际设计；具体步骤由以下的文字具体阐述。3.1.1 稳压电源单元设计与分析 1、稳压电源单元电路设计 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 u1 u2 u3 u4 U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 图3稳压电源单元电路2、 整流与稳压

14、过程 u1 u2 u3 u4 U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 图4整流与稳压过程3、参数设计1）直流电源电路的参数设计由于要给集成块UA741提供正负12伏特的直流电压，则选用输出电压为15V，功率为20W 的变压器。整流二极管D1、D2、D3、D4选IN4007（由于买不到IN4001），其极限参数100，最大整流平均电流IP=1A，满足 U2 ，最大整流平均电流IP=1A。滤波电容C的容量应满足RlC=（3-5）T/2，采用电解电容，电容的电压值应该大于1、1U2，为获得较好的滤波效果则选用C=3300uf的电解电容，C2选用0、22uf的瓷介电容，C3选择220uf的电解电

15、容，在稳压电路选三端稳压器W7812、W7912，它们的输出电压为12V，输出电流为 1、5A。3.1.2 电路原理与设计模型二阶高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。图5二阶有源高通滤波器的原理模型二阶高通滤波器的参数设计：由增益Av=2，Av=1+Rf/R1,所以选R2=R3=10K欧姆的电阻，fp=100Hz,fp=1/2RC，则选用C=0.1uf的瓷介电容，R1为14K欧姆的电阻，R4为18K欧姆的电阻，由于没有该种类的电阻，则用两个16K欧姆的替代，集成块用UA7413.2.2 元器件的选择 表1 元件清单元件序号（名称）型号主要参数数量备注变压器输入220V、输出15V

16、，P=20W1个带插头D1D4 （二极管）1N4007各1个保险管Ip1个电解电容C1、23300uf/25V2个电解电容C5、6 220uf2个瓷介电容C3、4、7、80、22uf4个集成块UA7411个集成稳压器W7812、W7912各1个发光二极管2个瓷介电容C9、100、1uf 2个电阻R120K欧姆2个电阻R21K欧姆2个可调电位器Rw20K2个 特殊器件介绍uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。 图6 U741运放管脚

17、图1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚UA741优点：宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。管脚1和5为调零端，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端。通常，在两个调零端接一至几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图所示。调整电位器，可使失调电压为零。放大器的功能： 放大信号，缓冲隔

18、离，准位转换，阻抗匹配，将电压转换为电流或电流转换为电压等。UA741的使用：使用时需在7、4脚加一对同等大小的正负电源电压+与-，一旦在2、3脚有电压差存在，压差就会被放大到输出端，其输出电压决不会大于正电源电压+或小于负电源电压-，输入电压差经放大后若大于外接电源电压+与-，其值会等于+或-。如图所示： 图7 UA741电压特性图若在同相输入端输入电压，会在输出端得到被放大的同极性输出；若在反相输入端输入电压，会在输出端得到被放大的呈逆极性信号的输出；当两输入端同时输入电压时，则是以同相输入端电压值（）减去反相输入端电压值（），可与输出端得到（-）经过同样倍率放大后的输出。 图8 UA74

19、1运放正反接原理图4 系统调试4.1 调试环境 Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PI

20、C18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。4.2 硬件调试工具：万用表、示波器，信号发生器，数字毫伏表用小螺丝刀调节电位器R3的电阻为14K欧姆，R4的电阻为18K欧姆，接入220伏特的交流电压，信号发生器的输出信号为f=1KHz,Ui=100、2mv

21、的信号，在输出端测得输出电压Uo=201、6mv，减小频率使得f=100 Hz，则输出端Uo =161 、2mv，与实际相差太大，则用螺丝刀微调节电位器，此时使得Uo=141、2mv，在高频时输出电压为输入电压的两倍，用示波器监测输出波形没有失真，故电路正确，调试完毕，可以进行性能测试。注意：在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路，且不能带电操作 当输入信号f100Hz时，示波器输出的信号峰-峰值基本不变，交流毫伏表上的读数（输出信号）也不变，仍为V左右。数据表如下所示：理论上，该Bw等于无穷大，但实际上由于受有源器件和外接元件以及杂散参数的影响，带宽受限制，高通滤

22、波器带宽也是有限的。有实验数据表我们也可以看出来。当f=20KHz时，信号开始衰减。仿真图1：当输入Ui=100mv,f=100Hz，则输出Uo=202mv(红线输出，绿线输入)仿真图2：当输入Ui=100mv,f=500Hz，则输出Uo=200mv(红线输出，绿线输入)5系统功能、指标参数5.1 系统能实现的功能 本项目所做的高通滤波器的功能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，得到一个特定频率或消除一个特定频率，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减，即：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频。5.2 系统指标参数测试输出电压的测量输入信号Ui=100 mv，改

23、变频率测输出电压，并且在通频带时的频率要取得密集一些频率f/Hz10152050608090输出电压Uo/mv5885150192频率f/Hz1001102005008001k20k输出电压Uo/mv202202220200200200201运用MATLAB仿真软件绘制出幅频特性图（代码段如下）：X1=10 15 20 60 80 90 95 100 110 200 500 800Y2=2.10 8.5 58 85 150 180 192 202 217 220 202 200 plot(X1,Y2)图9压控电压源二阶高通滤波器电路的幅频特性 对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得

24、到一个特定频率或消除一个特定频率，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减，即：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频。 高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。一个滤波器滤除一个复杂信号中不想要的低频成份同时让高频信号通过是很有用的（当然，低和高频率的含义是相对于滤波器设计者所选择的截止频率而言的），这样的滤波器能够把高频率的声音引导至专用高音喇叭(tweeter),并阻止可能干扰或者损害喇叭的低音信号5.3.2 数据处理与误差计算在频率为高频时，U=（201+201.7+202.4）/3=201.7 mv输入电压Ui=100.4，则Av=

25、U/Ui=201.7/100.4=2.01相对误差：s=（2.01-2）/2*100%=0.5%当fp=100Hz时，Uo理论=U*0.707=201.7*0.707=142.6mv实验测得Uo=141 .2mv则相对误差为S=（142.6-141.2）/142.6*100%=1%误差分析产生该实验误差的主要原因有1、 输入信号不稳定会导致实验误差。2、由桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路提供所需的正负直流电不是很准，没有标准的正负12伏特，导致实验误差。3、在参数设计时也会引入误差。4、在计算过程中会引入计算误差。6结论与体会 1、由实验可知，当频率f为通带截止频率fp时，输出电压 Uo

26、约为最大输出电压的0、707倍，即AuAuP。2、由实验可知，高通滤波器削弱低频信号，只放大频率高于 fp的信号，我们可把高通滤波器用于交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分。3、实验中，监测的波形没有失真，说明只要正反馈引入得到，就能在f=fo时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。通过分析设计任务，本实验采用两种方法来设计有源二阶高通滤波器。一种是由简单的二阶高通滤波器，将其接地的电容C1端接到集成运放的输出端构成压控电压源二阶高通滤波电路；另一种是通过Rf改变简单的二阶高通滤波器的连接，改善f0附近的频率特性，就构成了无线增益多路反馈滤波电路。 程设计让我们了解了滤波器

27、的工作原理以及分类，也让我们熟悉了函数发生器与示波器的操作，熟悉并学会选用电子元器件，对理论知识有了更深刻的理解。 本次课程设计我们主要根据要求中的提示，首先确定了各个部位元件的类型，在充分分析和掌握了滤波电路的工作原理进行了认真仔细的计算和公式的推倒，最终掌握了具有一般性的相关公式，当然，在公式的验算中为了简化公式，我们也采取了一些小技巧，在确定满足课题要求的情况下，我们令电容相等，从而大大简化了计算过程，但是在设计的诸多方面（电路的稳定性，参数选择的优越性，电路的调试等）存在不足之处。 7 谢辞（致谢） 在卜云老师的指导下，我圆满的完成了本次的课程设计内容，在这次课程设计的撰写过程中，我得

28、到了许多人的帮助。首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题与理论上的不清楚，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。最后再一次感谢所有在这次课程设计中帮助过我的良师益友！8 参考文献1童诗白、 童诗白、华成英 。模拟电子技术基础，清华大学出版社2王港元.电工电子实践指导（第二版）.江西科学技术出版社，20053毕满清.电子技术实验与课程设计.机械工业出版社4 樊昌信、曹丽娜.通信原理（第6版）M.北京：国防工业出版社，2006附录：总原理图滤波器部分原理图