濾波器是一種使用信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置, 在信息處理、數據傳送和抑制干擾等自動控制、通信及其它電子系統中應用廣泛。
濾波一般可分為有源濾波和無源濾波, 有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭, 而無源濾波設計簡單易行, 但幅頻特性不如濾波器, 而且體積較大。
從濾波器階數可分為一階和高階, 階數越高, 幅頻特性越陡峭。高階濾波器通常可由一階和二階濾波器級聯而成。采用集成運放構成的RC 有源濾波器具有輸入阻抗高,輸出阻抗低, 可提供一定增益, 截止頻率可調等特點 。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波電路的重要一種, 適合作為多級放大器的級聯。
本文根據實際要求設計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路, 采用E仿真軟件Mu ltisim10對壓控電壓源型二階有源低通濾波電路進行仿真分析、調試, 從而實現電路的優化設計。
1.電路結構
二階有源低通濾波器典型結構如下圖所示:
其中, Y1 ~ Y5 為導納, 考慮到Up = UN , 根據KCL 可得到如下:
Auf = 1+ RF /R 6。只要適當選擇Yi, 就可以構成低通、高通、帶通等有源濾波器。設Y1 = 1 /R 1, Y2 = sC1, Y3 = 0, Y4 = 1 /R 2, Y5 =
sC2, 將其代入式( 1)中, 得到壓控電壓源型二階有源低通濾波器的傳遞函數為:
這是二階低通濾波器傳遞函數的典型表達式。其中, Xn 為特征角頻率, Q 稱為等效品質因數。
2、設計步驟
具體設計時,根據對濾波器提出的特性要求,選擇適當的固有頻率ω0及阻尼系數ξ和通帶增益Kp。根據需要選擇電容比例系數m,其計算公式為:
設計步驟:
第一步,根據濾波器截止頻率,從表1中選擇電容器C1的電容值,由比例系數m計算C2的電容值。C2=mC1
第二步,計算電阻R1、R2
第三步,計算電阻R3和Rf。
3、設計實例
要求:設計一低通濾波器,要求kp=10,fC=l000Hz,計算無源元件的數值。
解:(1)確定電容值。
由于阻尼系數一般為
則截止頻率fc與固有頻率f0相等,則
fc=f0=1000Hz
根據f0由表1選C1=0.01μF,并取m=2
C1選0.01μF,C2選0.02μF(可以兩個0.01μF并聯)。
(2),計算電阻R1、R2:
查閱電阻系列表,R1選4.7k?,R2選27k?。
(3)計算Rf和R3,得
4、電路仿真
電路設計完成后,是否 滿足設計要求呢,通過Multisim軟件進行仿真測試,圖2和圖3為該濾波器的Multisim電路圖和頻率特性測試截圖。
截止頻率fc=1000hz 放大倍數kp=10倍
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