二阶高通有源滤波器

模拟电子技术课程设计报告书

一、设计任务及要求：

设计任务：

       设计一个二阶高通有源滤波器

要    求： 

1. 设计一个下限截止频率为21kHz二阶高通滤波器。

2. 采用Multisim 12.0仿真电路，并进行验证和完善所设计方案。

3. 完成设计实验报告。

4. 学习相关的一些理论知识。

指导教师签名：               

1 设计目的

（1）熟悉二阶有源滤波电路幅频特性和相频特性。

（2）学会二阶有源滤波电路的快速设计方法。

（3）掌握二阶有源滤波电路的调试及幅频特性和相频特性的测试方法。

2 设计思路

（1）设计一个下限截止频率为21kHZ二阶有源高通滤波电路。

（2）选择合适的运算放大器以及合适的电容电阻，并使之构成完整的电路图。

（3）进行相关的调试工作。

3 设计过程 

二阶有源高通滤波器由直流稳压电源电路，二阶高通滤波器电路组成。总设计图如图1所示：

图1 总设计图

3.1方案论证

根据设计任务要求设计一个二阶高通滤波电路，频率高于25KHz的信号可以通过，而低于25kHz的信号衰减。由输出量与输入量之比为传递函数：

即  A(s)=A(vf)*S^2/(S^2+W(c)/Q*S+W(c)^2)

式中 W(c)=1/RC

Q=1/(3-A(vf))

电路中既引用了正反馈，又引入了负反馈。当信号频率趋于零时，反馈很弱；当信号趋于无穷大时，由于RC的电抗很大，因而Up(s)趋于零。所以，只要正反馈引入得当，就既可能在f=f0时使电压放大倍数数值增大，又不会因为负反馈过强而产生自激振荡。同相输入端电位控制由集成运放和R1,R2组成的电压源，故称为压控电压滤波电路。同时该电路具有减少、增益稳定、频率范围宽的优点。电路中C、R构成反馈网络

3.2电路设计

（1）设计原理二阶高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。二阶高通滤波器的理想物理模型如图2所示

 图2 二阶高通滤波器的理想电路图

（2）设计分析

二阶有源高通滤波电路图如图2所示，由图可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。               

二阶有源高通滤波电路：

a.通带增益

A(vp)=1+R(f)/R1

b.传递函数

A(s)=(sCR)^2*A(vp)/[1+(3-A(vp)*sCR+(sCR)^2]

c.频率响应

令f0=1/2*pi*CR       Q=1/(3-A(vp))

则可得出频率响应表达式

Ar=A(vp)/[1-(f0/f)^2+j(1/Q)*(f0/f)]

(3)参数计算

电容器C1、C2的容量应在纳法数量级上，电阻的阻值应该在几百千欧以内。

现选择电容大小C1=C2=5nf,则根据公式可得：

R=1/[2*pi*fL*C]=1/(2*3.14*21000*0.000000005)=1.516千欧，选择电阻1.55千欧。与计算时有一点误差，所以，可能导致截止频率比21KHz稍有偏差。所以选择：R=Ro=1.3千欧，C1=C2=5nf,Rf=5千欧，R1=10千欧 

则：

Ao=1+Rf/R1=1.5    (符合A(vp)<3,能稳定工作)

4 调试与结果

（1）组装二阶有源滤波电路。其中：

R1=10千欧

R=Ro=1.55千欧

Rf=5千欧

C=C1=C2=5nf

（2）仿真电路图如图3

图3仿真电路图

（2）波特仪显示结果如图4所示 

图4仿真结果

由图4可知，此电路对20KHz以下的信号具有一定的过滤作用，对20kHz以上的信号可以完全通过。此外，由于受运放增益带宽积为有限值的影响，高通滤波器的幅频响应有所下降

（3）当输入信号为22kHz，10V时示波器显示结果如图5所示

图5 仿真结果

（4）当输入信号为120Hz，10V时示波器显示结果如下图6所示

图6 仿真结果

根据图5和图6的对比可知，此电路对21KHz以上的信号可以通过，对20KHz以下的信号有一定的抑制作用。

5主要仪器与设备

     一个波特仪

      一个示波器

      一个运算放大器

      两个5nf的电容

      两个1.55千欧的电阻，一个5千欧的电阻，一个10千欧的电阻

      函数信号发生器一个

6设计体会与建议 

6.1设计体会

对于二阶高通有源滤波器的设计，开始的时候，我真的感觉无从下手，不知该选用什么样的芯片，没有任何设计思路，我这才知道理论与现实的差距。我花了很多时间在方案的讨论与选择，电路的分析与设计中，到最后的电路仿真测试，让我真正的感觉到了自己各方面知识的匮乏以及经验的不足，还有自己平时对细节的忽视，通过这次课程设计也使我学到了很多我平常都不知道的东西，更重要的是我明白了一个道理，有些东西只有你去做了才知道行不行，还有就是以后必须更加加深理论知识的学习以及与实践的结合。 

6.2对设计的建议

在我们初次接触课程设计的时候，我希望老师多给我们一些建议与指导。当然一味的把设计思路以及方法告诉我们也是不可取的，这样我们就几乎学不到什么东西，更不要说去开发自己的创新思维了。像这些设计题目都是相当经典的，我们能够在原来的基础上改变一点，这样就能避免有些同学由于懒惰而不愿发时间去思考，但也能顺利完成这个课程设计。其次，我觉得学校要尽量多给我们这样的机会，只有这样我们才能更好的以理论联系实际。 

参考文献

[1] 康华光主编. 电子技术基础模拟部分（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社,2011

[2] 童诗白 华成英主编.模拟电子技术基础-第三版[M].高等教育出版社,2001.  

[3] 崔玮主编.电路原理图与电路板设计教程[M].北京：海洋出版社,2004.