二階有源帶通濾波器原理圖及設(shè)計(jì)流程

　　本文為您帶來(lái)二階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)具體流程，帶通濾波器原理圖電路圖含義、帶通濾波器方案選擇、仿真，電路性能測(cè)試，直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)、運(yùn)放及電壓跟隨器選擇。

　　什么是帶通濾波器?

　　帶通濾波器是指只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)的濾波器，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制，注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)改成高通而成。如圖2-4所示。

　　(a) 帶通濾波器原理框圖

　　圖2-4 二階帶通濾波器

　　帶通濾波器電路性能、參數(shù)：

　　通帶增益Aup：

　　中心頻率0f：

　　通帶寬度B：

　　品質(zhì)因素Q：

　　此電路的優(yōu)點(diǎn)是改變R和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。

　　有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)要求指標(biāo)

　　1.帶寬要求：15Hz~35KHz

　　2.帶外抑制比要求：>=-20dB/倍頻程

　　方案的選擇及流程

　　1.階數(shù)的選擇根據(jù)所需帶外抑制比大于等于20dB/倍頻程，我們選用了四階帶通濾波器，因?yàn)檫x用二階時(shí)為：

　　選用三階時(shí)為：

　　選用四階時(shí)為：

　　此時(shí)可以滿足要求帶外抑制比≥20dB/倍頻程

　　倍頻程和10倍頻程的選擇：

　　對(duì)于濾波或運(yùn)放放大倍數(shù)來(lái)講是用dB來(lái)表示的。具體的公式是

　　A(w)=A0/(1+jw/w0),w0是濾波頻率或運(yùn)放的一個(gè)極點(diǎn)。

　　采用dB表示時(shí)是 20*log|A(w)|. A(w) 要取模，即A0/sqrt(1+w*w/(w0*w0)).

　　對(duì)于n倍頻(靠近w0的頻率不準(zhǔn)確,n>0),w2=n*w1, w1>>w0.(開(kāi)方中的1可忽略)則有：

　　A(w2)-A(w1) = 20*logA0-20*log(sqrt(w2*w2)/(w0*w0)) -20*logA0+20*log(sqrt(w1*w1)/(w0*w0))

　　= -10*log(w2*w2/(w1*w1) = -10*log(n*n)

　　這樣對(duì)于兩倍頻，w2=2*w1，則此時(shí)下降是 -10*log4=-6.02dB 當(dāng)w2=10*w1時(shí) -10*log100=-20dB.

　　2.電路形式的選擇由于我們所選的濾波器階數(shù)n為偶數(shù)，所以我們選用n/2個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián);

　　3.原理圖仿真依原理圖用MulTIsim 10.0進(jìn)行仿真，使基本達(dá)標(biāo)。我們用Protel99SE畫(huà)出來(lái)的設(shè)計(jì)原理圖：

　　下面是我們的仿真結(jié)果：

　　這幅圖是我們?cè)贛ulTIsim 10.0進(jìn)行仿真時(shí)得到的波特圖，其中給定

　　R9 = R10 = 8.2K

　　R13 = R14 = 8.2K

　　R4 = R12 = 4.7K

　　其它參數(shù)值如圖所示，這也是我們組前期仿真過(guò)程中遺留下來(lái)的最不可原諒并且是最最核心的問(wèn)題，在后面會(huì)對(duì)它做進(jìn)一步說(shuō)明。

　　下面是我們的仿真結(jié)果：

　　可以看到仿真出來(lái)的帶寬已經(jīng)非常寬了,上限頻率很高，這與我們的初始仿真結(jié)果出現(xiàn)了很大的偏差。(初始仿真結(jié)果為：10.225Hz～61.743KHz)。

　　電路性能測(cè)試和改進(jìn)

　　做出來(lái)的電路先出現(xiàn)了峰值：

　　電阻出了問(wèn)題，改變阻值后：

　　再次改變阻值后：

　　帶外抑制比不夠：

　　相關(guān)數(shù)據(jù)表

　　由此可以看出R的取值為40k或36k時(shí)，條件基本滿足條件。下面所示是我在萬(wàn)能板上實(shí)際焊接出來(lái)的實(shí)物圖：

　　電源模塊：

　　直流穩(wěn)壓電源的工作原理

　　電源是構(gòu)成一個(gè)完整功放的重要組成部分，其穩(wěn)定的向外電路提供能量，保證外電路能正常的進(jìn)行工作。但一般地都是從市電經(jīng)變壓器降壓而實(shí)現(xiàn)的，那么如何降壓，如何把交流經(jīng)某些元件變成直流，并保證其能穩(wěn)定的輸出是必須考慮的問(wèn)題。

　　做為穩(wěn)壓電源它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。而脈動(dòng)的直流電壓含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以消除，從而得到平滑的直流電壓。

　　A .變壓器

　　變壓器的種類(lèi)有許多，單輸出的雙輸出的，體型有大有小，輸出電壓、功率等依型號(hào)而定。外電路所需電壓值、流過(guò)電源的電流、外電路的功率都將影響到電源輸出電壓的穩(wěn)定性，因此輸出電壓、本身功率等都是必須考慮的，在本電路中我們選擇雙12v輸出電壓的變壓器。

　　B .整流電路

　　要使交流電壓變成直流電壓，整流電路就是必須的。常見(jiàn)的整流電路有單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流和倍壓整流電路。由于橋式整流電路輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源 變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此我們?cè)诖瞬捎米畲箅娏?A的整流橋。

　　C .濾波電路

　　濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。其工作機(jī)理是，點(diǎn)抗性元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)有平波的作用。電感也有平波的作用，使負(fù)載電壓比較平滑。電容濾波一般針對(duì)小功率電源，而電感濾波多用于大功率電源中。此電路中我們采用電容濾波方式。電容濾波時(shí)輸出電壓為U2=√2U1，其中U1為變壓器輸出電壓，U2 為電容兩端輸出電壓。

　　由于該電路采用雙電源形式，我們將采取上下并聯(lián)兩組電容的形式來(lái)作為濾波電路。并且電容由大到小依次排列。第二級(jí)電容采用鉭電解電容有效地防止了低頻干擾成分對(duì)電路的干擾, 第三極電容采用獨(dú)石電容防止了高頻成分的干擾,同時(shí)也提高了電源的穩(wěn)定性。

　　電源部分采用三端集成穩(wěn)壓塊LM7812和LM7912制作，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路中芯片所需電壓為±12V，實(shí)際測(cè)得電壓為11.86V和11.74V。我們?cè)诰唧w測(cè)量的時(shí)候選用此電源模塊。

　　運(yùn)放的選擇

　　為了減少運(yùn)放對(duì)濾波電路的負(fù)載效應(yīng)，同時(shí)便于調(diào)整，我們剛開(kāi) 始考慮選用LF412。這是一種具有JFET作為輸入級(jí)的低失調(diào)、高輸入阻抗運(yùn)放。其輸入阻抗可達(dá)1210Ω。單位帶寬增益積為8MHz，能滿足我們的要求，但因?yàn)榇诵酒蠖酁檐娪眯酒?，價(jià)位太高，所以我們選用了LM324，因?yàn)長(zhǎng)M324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。3dB帶寬增益乘積:1.2MHz ，低功耗，已經(jīng)可以滿足我們的要求了。

　　電壓跟隨器

　　概括地講，電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作。電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到“隔離”作用。電壓跟隨器常用作中間級(jí)，以“隔離”前后級(jí)之間的影響，此時(shí)稱(chēng)之為緩沖級(jí)。基本原理還是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn)。電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路;當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級(jí)電路之間互不影響。

　　利用電壓跟隨器的這些特點(diǎn)，我們?cè)陔娐犯叩豌~連接處增加了電壓跟隨器模塊，是的電路性能大幅度優(yōu)化，主要表現(xiàn)在通帶內(nèi)的平坦程度得以提升，帶寬也有所增加。

　　存在問(wèn)題解決情況

　　⑴ 濾波器的構(gòu)架的選擇在剛開(kāi)始的原理建立及電路構(gòu)架的確立時(shí)，我們也曾想過(guò)用兩個(gè)二階Delyiannis帶通濾波器級(jí)聯(lián)，也就是下面圖中給出來(lái)的那樣：

　　下面給出仿真得到的波特圖：

　　由上圖可以看到，當(dāng)帶寬可基本達(dá)標(biāo)時(shí)，增益都到-157dB了，雖然我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)中沒(méi)有增益限制，但我們不可能這么大倍數(shù)的衰減新號(hào)，所以我們放棄這種設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)而采取高通與低通級(jí)聯(lián)的方式，選用二階Salley-key濾波電路為基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)濾波器電路，在前面已做過(guò)重點(diǎn)說(shuō)明，這里不再重復(fù)。

　　(2) 低通部分的改進(jìn)由于在仿真階段的疏忽和調(diào)節(jié)的盲目，使得地同參數(shù)出了很大問(wèn)題，一直到實(shí)際電路搭接出來(lái)后還在為低通電路部分發(fā)愁。后來(lái)通過(guò)對(duì)仿真圖的調(diào)節(jié)、實(shí)際電路的分塊測(cè)試，低通濾波電路的不可行之處實(shí)實(shí)在在的擺在我們眼前，因此重新開(kāi)始從計(jì)算開(kāi)始，確立參數(shù)，在上面已經(jīng)予以說(shuō)明，但新的問(wèn)題又出現(xiàn)了，高頻部分波特圖出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，且轉(zhuǎn)折前后斜率不盡相同，在之前給出的方針和實(shí)測(cè)圖中都有反映出來(lái)，其原因初步被判定為是兩個(gè)二階濾波電路頻率不匹配，致使濾波通帶沒(méi)有能完全重合。

　　(3) 電源問(wèn)題

　　我們的第二個(gè)電源出了一些問(wèn)題，也耽誤了很長(zhǎng)時(shí)間，測(cè)量數(shù)據(jù)為：正電源11.6V、負(fù)電源為-22V.整流橋測(cè)過(guò)沒(méi)出問(wèn)題，電路都是通的，穩(wěn)壓塊也換過(guò)，但一直沒(méi)能解決，問(wèn)題還是出在穩(wěn)壓塊上，應(yīng)該是被燒掉了。

　　(4) 帶外抑制比

　　思路一：帶外抑制比在比較精確的一組測(cè)量是幾乎為20db，具體的思路是：由于電路是級(jí)聯(lián)的，在高通部分他的帶外抑制比比較高，但是第通的部分相應(yīng)的低些，這時(shí)可以在他的低通部分在增加一個(gè)極點(diǎn)，使得在該點(diǎn)處他的下降先變化一次，這樣就比較的陡了。

　　思路二：在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，我才用的電容比值太大了，達(dá)到了1000倍，這個(gè)可能是一個(gè)原因，導(dǎo)致帶外衰減部分比較的低，此后我想過(guò)改變?nèi)葜档姆椒▉?lái)減小他們之間的系數(shù)，這樣就可以使得他們的靈敏度減小，電路性能得到改善。