通用双极点高通有源滤波器的设计与研究【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 通用双极点高通有源滤波器的设计与研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器。 本论文研究并设计了通用双极点高通有源滤波器。初步学习了滤波器的作用、分类及传输特性等基本理论、各种滤波器的滤波特性、传输函数及设计方法等信息，对他们的功能及实现方式进行了了解，通过整理分析，掌握了基本得滤波器设计方法，根据研究目的，从相对最简单的巴特沃斯滤波器开始设计，推导特定的滤波器网络的传输函数，并进行元件及参

2、数的 逐步调整来获得特定的滤波器特性，从而设计 出 通用双极点有源高通滤波器。 具体设计了两个滤波器，应用计算机 orcad 仿真技术对所设计的滤波器进行了仿真分析，符合所设计的指标 ,证明了设计的合理性。 关 键词： 有源；巴特沃斯；高通滤波器； ORCAD 软件； - 3 - Abstract In modern telecommunications equipment and all kinds of control system, Filters are used widely, In all of electronic components,the most used, the ec

3、hnology most complex is filter. This thesis research and design a universal double pole active high-pass filter,make a preliminary study on function, classification and transmission characteristics on the filter, the filtering characteristic, transfer function, design method Information such as， Mas

4、ter the basic design method of filter by Sorting and analyzing, According to the purpose, From the relative simplest Butterworth filter began to design, deduce the filter is the specific network transmission function, For components and parameters to adjust gradually for special filter characteristi

5、cs， Thus designed general double pole active high-pass filter. There are two filters by specific design,make simulation analysis by the application of computer simulation technology-ORCAD to the filter, comply with the design of indicators, proved the rationality of the design. Key Words: active; Bu

6、tterworth filter; high-pass filter;ORCAD - 4 - 目 录 1 引言 . 1 2 滤波器的基本概念 . 2 2.1 滤波器概述 . 2 2.2 滤波器的作用 . 2 2.3 滤波器的分类 . 3 2.3.1 低通滤波器 . 3 2.3.2 高通滤波器 . 3 2.3.3 带通滤波器 . 4 2.3.4 带阻滤波器 . 4 2.3.5 全通滤波器 . 5 2.4 滤波器的传输特性 . 5 3 网络的归一化 . 6 3.1 频率归一化 . 7 3.2 阻抗归一化 . 7 3.3 去归一化 . 7 4 基本滤波器设计 . 8 4.1 一般近似滤波函数 . 8

7、 4.2 最平幅度近似（巴特沃斯近似） . 10 4.2.1 巴特沃斯函数 . 10 4.2.2 巴特沃斯的幅度特性 . 11 4.2.3 巴特沃斯滤波器的阶数确定 . 11 4.2.4 巴特沃斯滤 波函数的确定 . 12 4.2.5 巴特沃斯低通函数的特性 . 13 5 通用双极点有源滤波器 . 14 6模拟电感电路 . 16 7双极点高通有源滤波器的设计 . 18 7.1 有源电感高通滤波器 . 18 7.1.1 归一化低通滤波器 . 18 7.1.2 变换后的归一化高通滤波器 . 18 7.1.3 有源电感实现 . 19 7.1.4 变换后的最终网络 . 19 7.2 双极点有源高通滤波

8、器 . 21 8 结论 . 23 致 谢 .错误 !未定义书签。 - 5 - 参考文献 . 24 - 1 - 1 引言 对信号进行分析与处理时，常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题，这些噪声，就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性，消除或减弱噪声，提取有用信号的过程称为滤波。 滤波技术是信号分析、处理技术的重要分支 1。无论是信号的获取、传输 , 还是信号的处理和交换都离不开滤波技术 , 它对信号安全可靠和有效灵活地传递是至关重要的。使用最多，技术最为复杂的要算滤波器。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

9、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、测量及控制中的小信号处理。高通有源滤波器具有高频信号不仅能量损耗小，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，反映动作迅速，滤除谐波可达到 95以上，补偿无功细致等特点 2。因此在通信行业、半导体行业、汽车制造业、自 动化生产线和精密设备的都有广泛使用 。 - 2 - 2 滤波器的基本概念 2.1 滤波器概述 滤波

10、器是一种对信号进行处理 来消除干扰 讯号的器件或电路。一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号，主要作用是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， 得到一个特定频率或消除一个特定频率 。利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为 L 型滤波。所有各型的滤波器，都是集合 L 型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个 串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。 2.2 滤波器的作用 滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”

11、被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号 (Analog Signal)3。随着计算机技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理， 产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载

12、体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信 号中提取原始信号所携带的信息的过程 4。 - 3 - 2.3 滤波器的分类 滤波器可以按不同的方式进行分类 5。 按照处理信号类型分，有模拟滤波器和数字滤波器。用于处理模拟信号的滤波器称为模拟滤波器，用于处理数字信号的滤波器称为数字滤波器。模拟滤波器按信号的连续性，也可以分为连续时间滤波器和取样数据滤波器。 按照采用的期间类型分，有无源滤波器和有源

13、滤波器。用无源元件组成的模拟滤波器称为无源滤波器，含有源器件的模拟滤波器称为有源滤波器。 按照功能来分，有低通（ Low-Pass， LP）滤波器、高通（ High-Pass， HP）滤波器、带通（ Band-Pass， BP）滤波器、带阻（ Band-Rejection， BR）滤波器、和全通（ All-Pass， AP）滤波器。 2.3.1 低通滤波器 低通滤波器允许低于截止频率的信号顺利通过，而使高频分量受到很大的衰减。他的应用范围很广，也是设计其他各种滤波器的基础。当它被用在高保真放大器的音调控制电路中时，通过改变低通滤波器的截止频率 ,就可以调节放大器的低音范围，达到控制放大器的音调

14、的作用。 2.3.2 高通滤波器 高通滤波器与低通滤波器相反，它允许高于截止频率的信号顺利通过，而 使低频分量受到很大的衰减。高通滤波函数的理想幅频特性如图 1.15（ a）中的细线所示。其中，为高频增益的幅值，为截止频率。由如图所示的理想幅频特性可知，该高通滤波器的功能是允许频率大于的高频信号通过，而使频率低于的低频信号受到完全衰减。 从原理上讲，高通滤波器的通带应当延伸到频率为无穷处，但实际上由于受到寄生参数的影响以及有源器件的有限带宽的影响，当频率增高到一定值时，增益的幅值将跌落。所以，它的通带也是有限的。 - 4 - 实际的高通滤波器函数的幅值特性如图 2.1（ a）中的粗实线所示。实

15、际的高通滤波器的衰减特性如图 2.1（ b）所示。 （ a）增益特性 (b)衰减特性 图 2.1 高通滤波器的特性 2.3.3 带通滤波器 带通滤波器可以看成低通滤波器和高通滤波器性能的组成。它允许一个频带内的信号通过，而衰减频带以外的信号。在通信设备中，带通滤波器被用来从众多信号中选出有用的信号而衰减干扰信号。 2.3.4 带阻滤波器 带阻滤波器与带通滤波器相反，他将一个频带内的信号完全衰减，而- 5 - 允许频带以外的信号通过。在通信设备中，带阻滤波器被用来抑制干扰信号。 2.3.5 全通滤波器 全通滤波器在所研究的频率范围内（理想情况下， 0 ）传输函数为一常数。也就是说，它的幅频特性是

16、一条直线，没有频率选择特性。但是，这种滤波器具有线性的相位特性。在研究全通滤波器时，也主要是研究它的相位特性。为了方便，通常不是直接研究滤波器的相位，而是研究相位对频率的变化率，即 （ 2-1） 式具有时间的量纲，称为群延迟。如果一个电路的相位是线性的，那么它的群延迟就是常数。全通滤波器主要用于脉冲传输系统和延迟均衡器中。 2.4 滤波器的传输特性 滤波器是一种处理电信号的电路，其中主要功能是实现对信号的选频传输。因此，滤波器就 是一种具有频率选择特性的电路。它按照预定的方式对输入信号进行处理，处理的结果就是输出信号 6。 任何角频率为的输入信号，都可以用傅里叶级数表示为 （ 2-2） 其中与频率无关的量是直流分量；、是信号各次谐波分量的系数。当这些信号通过具有频率选择特性的滤波器时，各次谐波分量的系数、被改变。有些分量基本上没有被衰减，有些分量被击打地衰减。如果作用在滤波器输入端的是一个单以频率的正弦信号，则滤波器的输出就是一个与输入同频率的正弦信号，但是输入信号和输出信号的幅度及相位不同。滤波器的这种传输关系可以用 式（ 1.18 所定义的转移函数）来描述，即 （ 2-3） 转移函数的模和幅角都是频率的函数。转移函数的模与频率的关系称为滤波器的幅频特性。转移函数的幅角即转移函数的相位与频率的关系称