模拟带通滤波器论文Word格式.docx
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参考资料:
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西安电子科技大学出版社,2007完成形式:
1.硬件、软件设计可供实际检测。
2.完成实训设计报告
项目设计进度要求:
2011年6月20日:
选题,定题;
2011年6月21日~24日:
模拟带通滤波器的硬件实现
2011年6月25~28日:
软件实现
2011年6月29~30日:
撰写实训论文(按桂林电子科技大学实训论文统一格式编写,字数在5000字以上)
2011年7月1日:
上交作品及实训论文(上交电子稿及打印稿);
项目验收方式:
1、在实训期间进行验收,验收时同时交设计报告。
2、设计报告要符合桂林电子科技大学实训论文统一格式。
项目开始时间:
2011-6-20
项目结束时间:
2011-7-1
任务下达:
摘 要
滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过,而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。
当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内,可使用滤波器有效的抑制干扰。
用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大,价格昂贵和衰减大等缺点,而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频,此外,它还具有一定的增益,且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。
由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点,因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。
此次硬件设计就是采用UA741来实训所需要的功能。
数字滤波器因其精度高、可靠性好、灵活性大等优点,在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。
根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR(有限长冲击响应)和FIR(无限长冲击响应)。
作为强大的计算软件,MATLAB提供了编写图形用户界面的功能。
所谓图形用户界面,简称为GUI,是由各种图形对象,如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。
MATALB可以创建图形用户界面GUI,它是用户和计算机之间交流的工具。
MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。
而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。
关键词:
MATLAB;
GUI;
IIR滤波器;
FIR滤波器;
运算跨导放大器;
有源带通滤波器;
电路理论与设计
Abstract
Thefunctionofthefilteristomakecertainfrequencywithinthescopeofthesignal,andthefrequencybyoutsidethescopecurbedthesignalorsharpattenuation.Whenthedisturbancesignalandtheusefulsignalnotinthesamefrequencyrange,canusefiltertosuppresstheinterferenceeffectively.
WithLCnetworkconsistingofpassivefilterinthelowfrequencywithinthearea,olumeweightexpensiveandattenuationshortcomings,butwithintegratedop-ampandRCnetworkconsistingofactivefilterismoreapplicabletolowfrequency,inaddition,italsohassomeofthegain,andbecausebetweentheinputandoutputhasgoodisolationandfacilitatecascade.Sincemostreflectthephotoelectricsignalhasaphysicalinformationlowfrequencyandamplitudesmall,vulnerabletointerference,andcharacteristicsoftheRCactivefilterswidelyappliedelectriclightweaksignaldetectioncircuit.ThehardwaredesignistheUA741topracticeneedfunction.
Digitalfilterforitshighaccuracy,goodreliabilityandflexibilitybigadvantagesinthespeechsignalprocessing,,signalspectrumestimation,signalde-noising,wirelesscommunicationfrequencyconversionandthedigitalimageprocessingandotherprojectsinpracticalapplicationareveryextensive.AccordingtothecharacteristicsofthefunctionofshockresponsetimecanbedividedintodigitalfilterIIR(limitedshockresponse)longandFIR(aninfinitelongshockresponse).AsapowerfulcalculationsoftwareMATLABgraphicaluserinterfaceprovideswritethefunction.Theso-calledthegraphicaluserinterface,referredtoastheGUI,iscomposedofgraphicsobject,suchasgraphicwindowmenubutton,thetextframeconstructionsuchastheuserinterface.
MATALBcancreatethegraphicaluserinterfaceGUI,itisbetweenauserandthecom-putercommunicationtool.MATLABwillsupportallGUlusercontrolsareintegratedinthisenvironmentandprovideinterfaceappearance,attributesandbehaviorsresponseofthesettingmethod,withthewayofimprovingtheabilityoftheversion,willalsobeconstantlystrengthen.Andhasstrongdrawingfunction,caneasilygetahigherqualityofthecurve.
Keywords:
MATLAB;
GUI;
IIRfilter;
FIRfilter;
Operationaltransconductanceamplifier;
Activeband-passfilter;
Circuittheoryanddesign
目 录
引言1
1 滤波器介绍及设计方案2
1.1 滤波器的结构及介绍2
1.2 总方案设计2
1.2.1方案框图2
1.2.2子框图的作用2
1.2.3方案选择3
2 设计原理与电路3
2.1 单元电路的设计3
2.1.1原理图设计4
2.2 滤波器的传输函数与性能参数4
2.2.1单元电路性能参数4
2.2.2元器件选择5
3 MultiSim仿真5
3.1 MultiSim电路图5
3.2 MultiSim仿真分析6
4 制板注意事项及调试8
4.1 注意事项8
4.2 调试8
4.3 测试结果和幅频图分析8
5 软件设计10
5.1 MATLABGUI的简介10
5.2 IIR和FIR数字滤波器设计原理10
5.2.1IIR数字滤波器设计原理10
5.2.2FIR数字滤波器设计原理10
5.3 IIR和FIR滤波器设计思想11
5.3.1IIR滤波器设计思想11
5.3.2FIR滤波器设计思想12
5.4 基于MatlabGUI的数字滤波器设计思路及实现12
5.4.1“滤波器设计软件”设计所实现任务12
5.4.2“滤波器设计软件”回调函数编写13
6 总结17
谢 辞18
参考文献19
附 录20
引言
随着数字化进程的不断推进,数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。
但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。
所有数字系统的前端,一般需要一个对微弱信号预处理的部分;
在抽样量化之前,还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。
这些都只能使用模拟滤波器。
RC有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。
其标准化电路的种类很少,仅使用及R、C元件,因此非常便于集成,这给推广应用带来革命性影响。
本文基于这一点介绍了常用RC有源滤波器的结构,以基于实现巴特沃斯逼近的带通波器设计为例,完成了其设计过程,并利用电子仿真软件MultiSim进行了仿真。
一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带(bandpass,允许通过的频带)如图0-1所示,同时限制限制所有通带外频率的波通过。
但是实际上,没有真正意义的理想带通滤波器。
真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率的波。
事实上,在理想通带边界有一部分频率衰减的区域,不能完全过滤,这一曲线被称做滚降斜率(roll-off)。
滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。
一般情况下,滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄,以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。
图0-1理想的带通滤波器
MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。
而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。
1 滤波器介绍及设计方案
1.1 滤波器的结构及介绍
通常用频率响应来描述滤波器的特性。
对于滤波器的幅频响应,常把能够通过信号的频率范围定义为通带,而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应,而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。
滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快,但RC网络节数越多,元件参数计算越繁琐,电路的调试越困难。
任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。
对于n为偶数的高阶滤波器,可以由n/2节二阶滤波器级联而成;
而n为奇数的高阶滤波器可以由(n-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成,因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。
1.2 总方案设计
1.2.1方案框图
图1-1RC有源滤波总框图
1.2.2子框图的作用
(1)、RC网络的作用:
在电路中RC网络起着滤波的作用,滤掉不需要的信号,这样在对波形的选取上起着至关重要的作用,通常主要由电阻和电容组成。
(2)、放大器的作用:
电路中运用了同相输入运放,其闭环增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高,输出阻抗很低的特点,广泛用于前置放大级。
(3)、反馈网络的作用:
将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端,称为反馈,其中的电路称为反馈网络,反馈网络分为正、负反馈。
1.2.3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带内具有均匀而稳定的增益,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滤波器的频率特性。
用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。
由于运算放大器的增益和输入电阻高,输入电阻低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用,并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。
滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。
滤波器等的技术指标有通带和阻带之分,通带指标有通带的边界频率(没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率),通带传输系数。
阻带指标为带外传输系数的衰减速度(即带沿的陡变)。
下面简要介绍设计中的考虑原则:
(1)、关于滤波器类型的选择:
一阶滤波器电路最简单,但带外传输系数衰减慢,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殊性的要求来确定。
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。
(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。
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。
(4)、元器件的选择:
一般设计滤波器时都要给定中心频率频率fc(ωc),品质因数Q。
在设计时经常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,因此有许多个元件均可满足给定的要求,这就需要设计者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初选电容值。
表1.1滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系
f
(1~10)Hz
(10~102)Hz
(102~103)Hz
(1~10)KHz
(10~103)KHz
(102~103)KHz
C
(20~10)F
(10~0.1)uF
(0.1~0.01)uF
(104~103)pF
(103~102)pF
(102~10)pF
2 设计原理与电路
2.1 单元电路的设计
2.1.1原理图设计
带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过,而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。
图2-1所示是一个多路负反馈二阶有源带通滤波器
,它使用单个通用运算放大器(通用运放)接成单电源供电模式,易于实现。
它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近,具有非常很强的频率选择性。
令C1=C2=C,Req是R1和R2并联的值。
品质因数Q等于中心频率除以带宽,Q=fC/BW。
式可以看出可以通过让R3的值远大于Req来获得大的Q值。
图2-1二阶有源带通滤波器
2.2 滤波器的传输函数与性能参数
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号,因受运算放大器带宽限制,这类滤波器仅适用于低频范围,根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻四种滤波器,具有理想特性的滤波器是很难实现的,只能用实际特性去逼近理想的,常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦响应和切比雪夫等波动响应。
在不许带内有波动时,用巴特沃斯响应较好,如果给定带内所允许的纹波差,则切比雪夫响应较好。
2.2.1单元电路性能参数
带通滤波器的性能参数如下:
中心频率:
其中
通带宽度:
B=fH-fL
选择性:
因为所要求的中心频率fc=13KHZ,Q=1.3,由以上几条公式和原理图可以算出C1=C2=C=103,C3=105,R1=0.72K,R2=2.79K,R3=4.81K。
2.2.2元器件选择
电阻的选择:
根据参数计算得的结果和市场上所出售的请况而选择,见附录清单。
电容的选择:
根据电阻的确定和规定的截止频率而选择,见附录清单。
运放的选择:
本电路选择了八管脚的UA741单运放。
其管脚图如下:
图2-2Ua741管脚图图2-3uA741内部原理图
3 MultiSim仿真
3.1 MultiSim电路图
二阶带通滤波器的仿真电路图如图4-1所示:
图3-1仿真电路图
3.2 MultiSim仿真分析
输入中心频率为13KHZ时的输出波形分析结果图如图3-2所示:
图3-2在中心频率13KHZ时的输出波形
当频率为8KHZ时的输出波形分析结果图如图3-3所示:
图3-3频率为8KHZ时的输出波形
当频率为18KHZ时的输出波形分析结果图如图3-3所示:
图3-3频率为18KHZ时的输出波形
4 制板注意事项及调试
4.1 注意事项
(1)电阻的标称值应尽可能接近设计值,这可以适当选用几个电阻串并联;
尽可能采用金属膜电阻电容及容差小于10%的电容,影响滤波器性能的主要因素是△R/R、△C/C及运放的功能。
(2)在测试过程中,若某项指标偏差较大,则根据设计表调整修正相应元器件的值。
(3)制作板子过程中,为了节省材料,节约资源,尽量用最少的东西完成最佳的功能。
所以板子元器件布局紧密。
而提高抗干扰能力,布线时尽量短,少。
焊盘过孔设计合理。
4.2 调试
对安装好的电路按一下方法进行调整和测试:
(1)、仔细检查装好的电路,确定元件与导线连接无误后,接通电源。
由于该电路是用双电源来供电的,所以在接入电源的时候一定要小心才行,以免电源输入出错,导致芯片被烧坏,测试不错数据。
(2)、在电路的输入端Vi=3V的正弦信号,慢慢改变输入的信号的频率,用示波器观察输出电压的变化。
在滤波器的所要求的中心频率时,输出电压是否最大,假如不是最大,就慢慢调动R1和R3,使在输入13KHZ时幅度最大。
假如是最大就测出幅度乘以0.707,求得幅度值,最后调动信号源的频率旋钮,使幅度值达到最大值的0.707倍,观看上下截止频率,求得带宽是否是10KHZ,假如不是也要继续调动R1和R3,这样重重复复调使数值符合要求为止。
(3)、观测其截止频率是否满足设计要求,若不满足设计要求应根据公式,确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计指标:
中心频率fc=13khz,Q=1.3。
输入信号Vi=3V,观察滤波器的下限截止频率fL及输出电压V。
按要求理论测试结果应为:
在相对低频时,如中心频率fc=13khz,输出电压V=9.10v;
在下限截至频率fL=8khz时,输出电压V=6.44v,在上限截至频率fH=19.2KHZ时,输出电影V=6.44v。
(4)、最后调动信号源的频率旋钮,在中心频率往两边递减或递加每隔0.5KHZ测出一个对应的幅度值,记录下来,总共要记录40个对应值,以前后面用来画出带通滤波器的幅频特性图。
4.3 测试结果和幅频图分析
由于采用三个滑动电阻,并且在焊接前就已经把相应的数值调好,调试的时候只要进行微调R1和R3来达到理想的效果。
最后R1=0.72K,R2=2.79K,R3=4.81K的时候符合中心频率为13KHZ。
测出该电路板的四十个频率对应的输出电压幅度的点,并用软件画出四十个点的频谱图。
电路测试得到的输出电压和频率Vo~f关系表4.1:
表4.1输出电压和频率Vo~f关系f/khz,Vo/V
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.2
Vo
2.23
2.53
2.87
3.28
3.66
4.02
4.40
4.80
5.26
5.68
6.18
6.44
9.5
10
10.5
11
11.5
12
12.5
13
13.5
14
14.5
15
6.62
7.08
7.56
7.96
8.32
8.66
8.90
9.10
8.98
8.88
8.80
8.68
15.5
16
16.5
17
17.5
18
18.5
19
19.2
19.5
20
20.5
8.40
8.16
7.94
7.62
7.36
7.14
6.86
6.60
6.34
5.94
21
21.5
22
22.5
23
23.5
24
5.72
5.56
5.38
5.20
5.08
4.88
4.76
它的幅频特性曲线为图4-1:
图4-1幅频特性曲线
5
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