有源低通滤波器电路设计

课程设计说明书

题系

(

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目 )

有源低通滤波器电路设计

电子与通信工程

专业(班级) 姓学指起

导止

教日

名 号 师 期

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模拟电路课程设计任务书

一．设计题目

有源低通滤波器电路设计

二．技术参数和设计要求

1. 技术参数

设计一个能阻挡高频信号，输出低频信号的有源低通滤波电路； 2. 设计要求

（1） 根据技术参数设计电原理图;

（2） 计算并选择电路元件及参数(含电源变压器)；

（3） 仿真调试电路；举例说明所设计的有源高通滤波器的广泛应用，简要

说明电路的工作原理。

（4） 撰写设计说明书。 三．设计工作量

设计时间一周，2011年下学期进行。

四．工作计划

星期一：布置设计任务，查阅资料；

星期二~星期三：设计方案论证，进行电路设计，计算并选择电路元件及参数；

星期四：仿真调试电路

星期五：撰写设计报告书，进行个别答辩。 五．参考资料

1．彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997； 2．高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005； 3．童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988； 4．康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，2006 5．本课程教材 六．指导教师

七．系部审批

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目录

第一章 设计方案……………………………………………………………………4 1.1 总方案设计…………………………………………………………………4 1.1.1 方案选择……………………………………………………………4 第二章 设计原理与电路……………………………………………………………5 2.1 单元电路的设计……………………………………………………………5 2.1.1 原理图设计…………………………………………………………5 2.1.2 滤波器的传输函数与性能参数……………………………………6 2.2 元件参数的计算……………………………………………………………7 2.3 工作原理……………………………………………………………………7 第三章 电路的组装与调试…………………………………………………………8 3.1 MultiSim电路图……………………………………………………………8 3.2 MultiSim仿真分析…………………………………………………………8 3.3 protel 原理图………………………………………………………………9 3.4 PCB图 ………………………………………………………………………10 第四章 有缘低通滤波器的应用……………………………………………………10 参考资料 ……………………………………………………………………………13

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第一章 设计方案

1.1 总方案设计 1.1.1 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（通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。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，输入电阻低，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10-3Hz~106Hz,频率稳定度可做到（10-3~10~10-5）/摄氏度，频率精度为+（3~5）%，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。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)。

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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滤波特性，运放的开环增应在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以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100kΩ，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 (ωc)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。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1.1.2初选电容值。

表1.1.2 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系

f C (1~10)Hz (20~10)F （10~102）Hz （10~0.1）uF （102~103）Hz （0.1~0.01）uF （1~10）KHz （104~103）pF （10~103）KHz （102~103）KHz （103~102）pF （102~10）pF

第二章 设计原理与电路

2.1 单元电路的设计 2.1.1 原理图设计

低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

如图2.1.1.1（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

图2.1.1.1（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

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图2.1.1.1 二阶低通滤波器

2.1.2 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，它们的幅频特性如下图所示，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。

1. 滤波器的传输函数

表2.1.2.1 二阶RC滤波器的传输函数表

类型 低通 传输函数 性能参数 ——电压增益 ——低通滤波器的截止角频率

2.

单元电路性能参数

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低通滤波器

二阶低通滤波器的通带增益

截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特

性的形状。

2.2 元件参数的计算 二阶低通滤波器

二阶低通滤波器性能参数表达式为

ωC2＝１/（CC1RR1） (2.2.1.1) Q=0.707

ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (2.2.1.2) AV=1+R4/R3 (2.2.1.3)

2.3 工作原理

滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路。滤波

电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，带阻滤波器和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减

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或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过

第三章 电路的组装与调试

3.1二阶低通滤波器 MultiSim 电路图

图3.1.1二阶低通滤波电路

3.2MultiSim 仿真分析 分析结果图

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图3.2.1（a）

图3.2.1（b）

3.3protel 原理图

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3.4PCB图

第四章 有源低通滤波器的应用

在焊接中的应用

.4.1 CO2焊过程的控制

为了对CO2焊短路过渡过程进行控制,可以采用一般的硬件控制系统,也可以用微机控制系统,或者考虑到两者的优缺点,两者都采用,即当所要求的控制速度要求比较高时采用硬件控制,控制速度要求较低时采用微机进行控制。采用硬件控制提高了系统的控制速度,而采用微机控制系统,可提高系统的稳定性和灵活性,能随着实时焊接条件的变化而变化,增加了系统的柔性和适应性。

CO2焊最大的缺点就是焊接飞溅大和焊缝成形差,直接影响焊接质量。为了减少飞溅,防止金属小桥的爆断,缩颈检测就起着重要的作用。一般来讲,熔滴的过渡过程采用微机进行控制,而缩颈检测采用硬件检测。

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在电磁力和表面张力作用下,短路小桥不断颈缩,导电截面随之缩小,使其电阻不断升高,电阻随时间的变化率dR/ dt 可通过单位时间内的电压变化率dV/dt 测量出来。当短路小桥电压的变化率达到或超过一定的阀值,检测电路发出信号,使电源输出电流在数微秒内降到较小值,这样就避免了飞溅的产生。由于检测电路对电压的波动非常敏感,短路电压信号只要有微小的波动(如脉动波纹和尖峰不能很好的滤掉) ,就可以产生误判断,这是这种检测电路失败的主要原 因,因此低通滤波器的好坏将直接影响着缩颈的检测和焊接飞溅的控制。 4.2. 2 焊接电源方面

弧焊逆变器具有体积小、重量轻、效率高、动态反应速度快的优点,是弧焊电源的发展方向,目前IGBT逆变焊机已成为发展的主流。IGBT弧焊逆变器高频工作时有明显的波形畸变。关断时由于变压器的漏感和线路电感造成很陡的尖峰,不仅在C、E极间产生过电压,还通过密勒电容作用于栅极,降低了反向安全工作区,易导致过压损坏,而且产生的尖峰通过反馈还作用于回路中。在主电路形式为全桥式或半桥式的电路中,若逆变焊机的频率为20 kHz ,那么所产生的尖峰频率为40 kHz。另外通过逆变器输出的是脉冲形式,必须经过电感电容滤波器进行滤波,因此电路输出电压会产生脉动波纹,有时脉动波纹的幅值可以达到2～3 V ,其频率与逆变频率相等。

在逆变电路中大多采用全桥式和半桥式电路,但最大缺点之一就是容易发生直通现象,即由于某种原因在某一时刻发生两路IGBT管同时导通。一旦发生直通,则电源通过上下功率IGBT管短路,导致过流而烧毁。图3为同时采用电压电流负反馈闭环控制系统示意图,输出电压电流经过采样环节得到与其成正比的反馈量mUf 、nIf,然后经比较放大环节与给定量Ugu、Ugi比较及放大,各自输出K1(Ugu- mUf)和K2(Ugi-nIf) ,最后经综合放大得到控制电压UK驱动控制电路,即UK = K3[K1(Ugu-mU)+K2(Ugi-nIf)](5)

图3 弧焊逆变器闭环控制系统示意图

从以上看出在电压负反馈、电流负反馈或电压电流负反馈同时采用的电路中,通过脉宽调制器将反馈放大器的误差电压信号转换成脉冲宽度信号,由于叠加在输出电压电流波形上的波纹,使UK瞬时增大或减少。当UK增大到一定值时,脉宽或占空比最大,此时最易发生直通现象,致使IGBT管烧坏;同样当UK减小到一定值时,脉宽最小,此时器件功耗大而输出功率小,也是不太合理的。因此可以采取多

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种措施防止UK因上述因素发生突变。除了限制最大占空比和最小占空比外,采取有源低通滤波器也是有效措施之一,不仅减少了输出的波纹,抑制了高频噪音,减轻了高频干扰,而且在一定程度上也是防止直通现象的有效措施之一。

参考资料

6．彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997； 7．高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005； 8．童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988； 9．康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，2006 10． 本课程教材

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