二阶高通滤波器的设计

设计课题：    二阶高通滤波器的设计               

专业班级：     电信本      

学生姓名：               

学　　号：　　69　　  

指导教师：             

设计时间： 1月 3日   

题目:二阶高通滤波器的设计

一、设计任务与要求

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=200Hz；

3增益AV＝2；

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）。

二、方案设计与论证

   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。现在工厂对于谐波的治理,应用最多的仍然是高压无源滤波器,高压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,

2.1设计一、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。

电路如图2-1所示，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：

               Av=1+R2/R1    

2.2设计二、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： 

     ，     

三、单元电路设计与参数计算

3.1方案一：压控电压源二阶高通滤波电路

     Av=1+R2/R1=2  ，  =200

           令R1=10k        ，则R2=10k

 又fc=200hz，

 得出：

 C2=C3=0.47uf  ；

 另取R=R4//R5=R3//R6=2//10=1.69K

3.2方案二、用无限增益多路反馈设计高通滤波电路

            ，    

  设C1=0.22uf，   则C2=0.47uf

          又f=200hz

    得出 ：

          R1=3K,R2=20.0K

 至此得出了两种方案的参数,连接电路好即可.

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

2．元件清单

直流源

1．焊接 

工具：电烙铁

在已做好的电路板上涂一层助焊剂，对照原理图将元件安装在电路板上，检查元件位置是否正确。检查无误后，用电烙铁将每个元件用焊锡焊牢，保证每个元件不虚焊。在焊元件时根据不同元件耐热性能尽量减少焊接时间。焊接完毕后用万用表检查是否断路和短路。

2．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15K欧姆，R4的电阻为15K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=500.3mv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。

二阶高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似，当Q>0.707或Q<0.707时，通带边沿处会出现不平坦现象。有关根据品质因数Q计算电路电阻参数R1 和R2的方法与二阶低通滤波器的计算相同。

为了改进一阶高通滤波器的频率特性，可采用二阶高通滤波器。一个二阶高通滤波器包含两个RC支路，即将二阶高通滤波器的R与Ｃ对换位置，即可构成二阶高通滤波器。

    如图5-1所示为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，其阻带衰减特性的斜率为40dB／10oct，克服了一阶高通滤波器阻带衰减太慢的缺点.

　　     图5-1二阶高通滤波器的幅频特性曲线

    与二阶低通滤波器类似，二阶高通滤波器的各个参数也影响其滤波特性，如：阻尼系数f的大小决定了幅频特性有无峰值，或谐振峰的高低。若要求高通滤波器的阻带特性下降速率大于40dB／10oct，必须采用高阶高通滤波器，同高阶低通滤波器一样，也是最常采用巴特沃思型和切比雪夫型近似，同样也是先查表，得到分母多项式，图5-1阶高通滤波器幅频特性 。

   二阶高通滤波器的参数设计，由增益Av=2，Av=1+Rf/R1,所以选R3=15K欧姆的电阻，fc=200Hz,fc=1/2RC，则选用C=0.01uf的电容，R4为15K欧姆的电阻，R2为4K欧姆的电阻，由于没有该种类的电阻，则用两个2K欧姆的电阻替代，集成块用KIA741。二阶高通滤波器电路的电路仿真。

设计一：压控电压源二阶高通滤波电路

设计二、用无限增益多路反馈设计高通滤波电路

六、性能测试与分析

1.输出电压的测量

输入信号Ui=500 mv，改变频率测输出电压，并且在通频带时的频率要取得密集一些，记录到表格二阶高通滤波器的数据

压控电压源二阶高通滤波器电路的幅频特性

2.数据处理与误差计算

<1>压控电压源

在频率为高频时，

        U=（1000.3+1000.4+1000.5）/3=1000.4 mv

输入电压Ui=500mv，

        则Av=U/Ui=1000.4/500=2、01

相对误差：s=（2、01-2）/2*100%=0、5%

当fp=200Hz时，

       Uo理论=U*0、707=1000*0、707=707mv

       实验测得Uo=706mv

       则相对误差为S=（706-707）/706*100%=1.4%

<2>无限增益多路反馈

在频率为高频时，

        U=（1000.3+1000.4+1000.5）/3=1000.4 mv

输入电压Ui=500mv，

        则Av=U/Ui=1000.4/500=2、01

相对误差：s=（2、01-2）/2*100%=0、5%

当fp=200Hz时，

       Uo理论=U*0、707=1000*0、707=707mv

       实验测得Uo=703mv

       则相对误差为S=（703-707）/703*100%=6%

3.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。

七、结论与心得

   1、由实验可知，当频率f为通带截止频率fp时，输出电压 Uo约为最大输出电压的0、707倍，即︱Au︱≈0.707︱AuP︱。

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。

八、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，2005

[3]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

[5] 刘玉敏,俞重远,张建忠等. 粒子群优化算法用于光纤布拉格光栅综合问题的研究[J]. 

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表

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