1、滤波器设计与实现摘要滤波器有模拟滤波器和数字滤波器之分，且按频率特性划分有低通、高通、带通、带阻、全通等。本次设计包括有源带通滤波器设计、无源带通滤波器设计、数字低通滤波器设计。本次设计通过 Filter Wiz Pro v3.0 软件来设计有源带通滤波器，并用 Multisim10.0 软件来仿真，以达到本次课题的设计要求。利用 Advanced Design System Update 2 软件来设计无源带通滤波器。数字低通滤波器通过 Matlab 这个软件平台和分析工具箱来进行设计，最后得到系统函数的系数，再利用单片机系统板来实现信号的采集，单片机滤波处理，最后通过系统板输出滤波处理后的
2、波形。关键字：滤波器 FilterWizProv3.0 Multisim10.0 AdvancedDesignSystemUpdate2 Matlab 单片机系统板AbstractFilter has two types: Analog filter and Digital filter. Moreover, according to frequency characteristics, it is divided to Low Pass Filter、High Pass Filter、Band Pass Filter、Band Elimination Filter、All Pass Filt
3、er. This design includes Band Pass Filter with power、Band Pass Filter without power, and Digital Low Pass Filter. This design throughs the FilterWizProv3.0 software to design the Band Pass Filter with power, and uses the Multisim10.0 software to simulation, so that to reach the requires of this desi
4、gn. Use the Advanced Design System Update2 to design the Band Pass Filter without power. The Digital Low Pass Filter passes the Matlab software and analysis tool to design, and achieve the coefficient of system function, then use the singlechip system board to acquisition of signal、filter deal、achie
5、ve the final waves.Key: Filter FilterWizPowerv3.0 Multisim10.0 AdvancedDesignSystemUpdate2 Matlab Singlechip system board一、 有源 RC 带通滤波器设计1. 结构要求：采用运放和 RC 元件构成带通滤波器。2. 技术指标要求：频率范围 300Hz3KHz，带外抑制 10dB 或以上，带内纹波小于 1dB，电压增益 0.52。1. 总体方案设计总体方框图设计R C 网络放大器 o p 0 7反馈网络1.2 子框图的作用1.RC 网络在有源 RC 滤波器电路中，RC 网络起着滤
6、波的作用，它将使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号。它在波形的选取上起着至关重要的作用。RC 网络由电阻 R 和电容 C 组成。2.放大器电路中运用同相放大器 OP07，它具有输入阻抗高，输出阻抗很低的特点,因此广泛应用于前置放大级。此电路中的第一级的闭环增益为 Avf=R3/R6.3.反馈网络在此电路的第一级中的 R3 和 C6 组成反馈网络。1.3 方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的频率范围内具有均匀稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想的滤波器的频率特性。用 RC 网络
7、和运算放大器组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输出电阻低，所以能提供一定的信号增益和缓冲作用，这种滤波器的频率范围约为 103Hz10+6Hz，频率稳定度可以做到（10-3Hz10-5Hz）/摄氏度，频率精度为+（35）%，并可以用级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。1. 滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单，但它的带外传输系数衰减很慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求
8、带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好。2.级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB 每倍频程（-20dB 每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB 每倍频程（-40dB 每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB 每倍频程（或 mdB 每十倍频程）时，则取级数 n 应满足 n 大于等于 m /6(或 n 大于等于m/20)。3.运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈以保证所需了滤波特性，
9、运放的开环增益应在 80dB 以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限确定，设工作频率的上限为 fh，则运放的单位增益宽带应满足下式：BWG 大于等于（3-5）AefH，式中为滤波通带的传输系数。如果滤波器的输入信号较小，例如在 10mv 一下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至于使 RC 网络中电阻元件的值超过 100 千欧，则应选低漂移高输入阻抗的运放。4.元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc（wc）带内增益 Av，以及品质因素Q（二阶低通或高通一般为 0.707） 。在设计时经长出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此
10、有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计这自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表 1.1.1 初选电容值。表 1.1.1 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f (110)Hz （1010 2）Hz （10 2103）Hz （110）KHz （1010 3）KHz （10 2103）KHzC (2010)F （100.1）uF （0.10.01）uF （10 4103）pF （10 3102）pF （10 210）pF2.电路设计分析1.电路仿真分析有源 RC 带通滤波器由电阻、电容和放大器组成，可以运用滤波器设
11、计软件FilterWizPRO3.0 来设计。不过此软件设计的电路中的电阻、电容和放大器都是理想的，且取值不是市场上能买到的标称值，需要加以修正，可以利用Multisim 仿真软件来仿真给予修正。此次用 FilterWizPROv3.0 软件设计的原理图如图一所示：图一.a(第一级)图一.b(第二级)图一.c(第三级)图一.d(第四级)设计出来的幅频特性如图二所示：图二以上的设计分析能达到此次课题的频带，带内纹波，带外抑制等要求。用Multisim 仿真软件修正后的原理图如图三所示，以及仿真后的效果图（幅频特性）如图四所示：图三图四以上图三所示的元器件的值都为标称值，仿真出来的幅频特性的效果也
12、达到了此次课题的要求，但由于实验室的电阻都是碳膜封装，精度为 10%，这样可能按此原理做出来的板子达不到要求。于是，在此次课题中，经小组成员的讨论后没有采用这个原理图。于是，便用 FilterSolutons2009 这个软件来仿真了一个可以用碳膜封装，精度为 10%的电阻来设计的电路。并用 Multisim 软件再次仿真了一下，Multisim 仿真的原理图和仿真出来的幅频特性图如图五所示：图五上图在允许使用碳膜封装，精度为 10%的电阻的情况下达到课题要求，于是经小组成员讨论，此次课题采用了此设计原理图。2.原理图设计有源 RC 带通滤波器是由低通 RC 电路和高通 RC 电路组合而成的.
13、要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率.由于此次要求的通频带范围为300Hz3KHz，带外抑制为 10dB 或以上，带内纹波小于 1dB,电压增益为 0.52，而没有要求过渡带宽。所以在此次的有源 RC 带通滤波器设计中采用由 RC 低通和高通组成六阶的带通滤波器，由于实际做出来的电路没有达到电压增益为0.52 范围内的要求，所以用面包板在电路的后级做了一个同相放大器，以使其电压增益为 0.52 的范围内。由于后接的同相放大器是后来用面包板做的，所以在原理图中没有呈现。有源 RC 带通滤波器电路原理图见附录一。3.PCB 设计有源 RC 带通滤波器电路的 PCB 设计图见附录二。二
14、、 无源 LC 带通滤波器设计1. 总体方案设计1.1 LC 无源滤波器设计要求1. 带宽为 1.2MHz4.5MHz，带外抑制 8dB 或以上，带内纹波小于 1dB。2. 电压增益为 1，阻抗为 50 欧。1.2 LC 无源滤波器设计方框图R C 网络信号输入信号输出1.3 LC 无源滤波器方案论证1.利用 FilterSolutions2009 软件仿真 LC 无源滤波电路，由于此次课题是第一次使用 FilterSolutions2009 软件，以防此软件设计出来的高频率电路不可靠，所以经小组成员讨论后，此次课题没有采用此方案。2.利用 ADS 软件仿真 LC 无源滤波电路，由于此次在做此
15、次课题之前老师讲解了怎样用 ADS 软件设计此电路。因此，经小组讨论决定此次利用 ADS 软件来设计此电路。且仿真效果也很好，完全达到课题要求。2.电路设计分析此次 LC 无源滤波器电路利用 ADS 软件来设计。设计的总体仿真图如图六和原理图如图七所示：图六图七此电路仿真出来的幅频特性完全达到此次课题的无源 LC 带通滤波器的要求：带宽 1.2MHz4.5MHz，带外抑制 8dB 或以上，带内纹波小于 1dB，电压增益 1，阻抗为 50 欧的要求。其幅频特性如图八所示：图八三、 数字低通滤波器设计1. 数字低通滤波器设计要求：用 IIR 和 FIR 两种方法来设计截止频率为 10Hz,带外抑制
16、 10dB 或以上，带内纹波小于 1dB.2. 数字滤波器设计分析：本次课题要求利用 IIR 和 FIR 两种方法来实现数字低通滤波器设计。IIR 为无限长单位冲激响应滤波器，其特点为：a.系统的单位冲击响应 h(n)是无限长的；b.系统函数 H(z)在有限 z 平面上有极点存在；c.结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归的。而FIR 为有限长单位冲激响应滤波器，其特点为：a.系统的单位冲激响应 h(n)在有限个 n 值处不为零；b.系统函数 H(z)在|z|0 处收敛，在|z|0 处只有零点，即有限 Z 平面只有零点，而全部极点都在 z=0处（因果系统） ；c.结构上主要是非递归结
17、构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。在本次的数字滤波器设计中的 IIR 设计利用系统输入输出关系的N 阶差分方程 式（ 1-1）,而 FIR)(ny)()(0N1 knxbkyaMk 系统的差分方程表达式为 式（ 1-2）.10)()(Nmh此次的数字滤波器设计利用 FilterSolutions2009 软件设计 10阶的 IIR 滤波器，此软件可以直接根据设计生成式（1-1）中系数和 的数组，并能给出 C 语言的算法。利用 FilterSolutions2009kab软件设计 12 阶的 FIR 滤波器，同样此软件可以根据设计生成式（1-2）中
18、 h(m)的系数，同时也给出 C 语言的算法。3. 数字滤波器程序设计(1).程序设计流程图初始化程序信号输入等待中断采集数据判断是否采集到 1 0 次对数据进行滤波将数据存入采样数组判断是否存到 1 2 个值对数据进行滤波处理 ， 滤除 1 0 H z 的频率将结果送 D A 输出NN(2).程序代码(略)四、 测试数据分析1 有源 RC 滤波器电路测试数据分析根据下表一可以看出在通带 300Hz3KHz 的范围内，增益比在-1.02086 到-1.86843 之间变化，可见其满足带内纹波在 1dB 之内。从 100Hz 处增益比为-23.09803 和 6KHz 处增益比为-13.73763 可知满足带外抑制 10dB 或以上的要求。又从输入电压在 992 和 1000mv 之间，而输出电压在带宽范围内在 800 和 882mv之间，满足电压增益在 0.52 的要求。表一有源 RC 带通滤波器测试数据频率 f(Hz) 输入电压(mV) 输出电压(mV) 增益比(dB)100 1000 70 -23.0980392200 1000 400 -7.95880017300 992 832 -1.52776692310 1000 864 -1.26972515320 1000 872 -1.1896703
