基于EWB高阶有源滤波器设计研究_物理_自然科学_专业资料。第２８卷第３期 ２ ０ ０ 衡阳师范学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎｇｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎｏ．３Ｖ０１．２８ ７年６月 Ｊｕｎｅ．２００ ７ 基于ＥＷＢ高阶
第２８卷第３期 ２ ０ ０ 衡阳师范学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎｇｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎｏ．３Ｖ０１．２８ ７年６月 Ｊｕｎｅ．２００ ７ 基于ＥＷＢ高阶有源滤波器设计研究 谭家杰，游开明，唐建锋，罗昌由，刘 驰，王友文 （衡阳师范学院物理与电子信息科学系，湖南衡阳４２１００８） 摘 要：介绍了ＥＷＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｗｏｒｋ Ｂｅｎｃｈ）软件的特点，给出了高阶有源滤波器设计的一般思路，用ＥＷＢ 软件设计出五阶巴特沃斯低通滤波器，其电路简单明了，参数容易确定，且电路调试方便。并且通过实际电路 实验证明设计方法合理，设计出的滤波器满足技术指标。该有源滤波器设计方法对信号处理，通信及检测技术 方面有实用价值。 关键词：ＥｗＢ；有源滤皮器设计；仿真实验 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－－０３１３（２００７）０３一００５５一０４ １ 引言 滤波技术是通信和工程测试领域的重要环节， 路。电路图的创建和各种工具都在同一个窗体内， 所要元件可以直接从界面选取。②软件含较为详 尽的元器件库。该软件的元件库和仪器仪表库内 容丰富，含有很多国内外大公司的器件和芯片。 ③软件使用灵活方便，有强大的分析工具。能提 供双踪示波器、扫频仪、数字信号发生器、万用 表、逻辑分析仪等设计和测试所需仪表。④软件 具有真实的仿真平台。在进行电路仿真实验时极 方便、快速、可靠。在设计、测量、调试或改变 各种电子线路，在显示屏上直接观察到预期结果， 还可以用鼠标更换元件或改变参数。论文基于 ＥＷＢ设计高阶模拟滤波器进行探讨，先设计高阶 滤波器并进行仿真，并且用实际电路对设计进行 验证。 ２有源滤波器基本理论 ＲＣ有源滤波器是由电阻、电容和运算放大器 组成。有源滤波器具有开环增益高、频率稳定性 能好的特点。具有理想的幅频特性的滤波器是很 难实现的，经常用巴特沃斯逼近，切比雪夫逼近等 滤波器电路的实质上是选频，即让一部分频率通 过，使一部分频率衰减。滤波网络技术的理论逼 近问题，早在上世纪就已解决，由于网络元件的 选择和调试困难，一直没有长足发展［１］。采用有源 器件组成的滤波器在文献［１巧１中都有过探讨，但是 基本上是针对低阶滤波器设计的探讨，例如文献 ［２］探讨的是二阶系统，文献Ｅｌｉ最高阶数为三阶， 这里着重探讨更高阶有源滤波器的设计方法。 ＥＷＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｗｏｒｋ Ｂｅｎｃｈ）即电子工作 平台。该软件是美国交换图像技术有限公司（Ｉｎ— ｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｉｍａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）于９０年代初推出的 ＥＤＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）软件。它可 以完成各类电路的设计、仿真、分析研究，是电 路综合的新型电子设计技术手段，其发展与应用 正引发着一场电子产业和电子设计领域的技术革 命。ＥＷＢ５．１２软件其主要优点［６］：①软件界面直 观、操作方便。ＥＷＢ采用直观的图形界面创建电 收稿日期：２００６一０８—１０ 基金项目：衡阳师范学院教研资助项目（．，Ｙ０６４３） 作者简介：谭家杰（１９６８一），男，湖南衡阳人，衡阳师范学院物理与电子信息科学系，副教授，主要从事光电精密测 试技术及教学研究． 万方数据 衡阳师范学院学报 ２００７年第２８卷 方法来设计模拟滤波器，并且阶数越高，幅频特性 衰减越快，就越接近理想幅频特性。 ２．１ １ 一阶、二阶有源滤波器设计 一般情况下，高阶有源滤波器的系统函数可由 ５２＋（夏高＋矗＋ｃ－一Ａ。，志茜）ｓ＋志 （５） 气瓦纛面 下式表示： 腓，一簪毫等等等㈩ Ｈ（ｓ）一¨Ｈ：（ｓ） （２） 图１中的滤波器类型为低通滤波器。只要将Ｒ，和 Ｃ，，Ｒ。和Ｃ。的位置交换便可以设计出高通、带通、 带阻滤波器，例如Ｒ。和Ｃ。，Ｒ：和Ｃ。对调则该滤波 器为高通滤波器；Ｒ，和Ｃ。位置对换，Ｒ。和Ｃ：位置 不变则是带通滤波器。对于二阶低通滤波器，其传 输函数一般可以表示为： 由于集成运放很容易满足阻抗匹配，高阶滤波器可 以由若干个低阶基本节形式，因此（１）式可以改写 成由若干个基本传输函数乘积形式。 Ｈ（ｓ）一——垒丝Ｌ ｓ （６） ①一阶低通滤波器 对于一阶低通滤波器来说，其传输函数为： Ｈ（５）一垒！丝生 Ｉ）３（ Ｓ十“Ｌ ２＋茜ｓ＋叫； （７） ， 将（６）式归一化得传输函数： 其中Ａ。为通带电压放大倍数，龇为通带截止角 频率。 将（３）式归一化得到归一化的传输函数： 肌７）一五牟ｉ ５。十虿十１ ７０ ． 其中：Ａ。为通带电压放大倍数，∞。为通带截止角频 率，Ｑ为品质因数。对比公式（５）、（６）、（７）并考虑 （４） Ｈ（ｓ）一睾 ｓ十ｌ 图１所示电路可以求出Ａ。、Ｒ。、Ｃ．、Ｒ。、Ｃ：便可以得 可以根据（４）式设计出相应的滤波电路。 ②压控电压源二阶低通滤波电路 ． 瓤二阶滤波器。 避带坶的电压放大倍数： ？。 Ａ。一１ 常用的有源二阶滤波电路有压控电压源 （ＶＣＶＳ）二阶滤波电路和无限增益多路负反馈 （ＭＦＢ）二阶滤波电路。ＶＣＶＳ电路是１９５５年由萨 林（Ｒ．Ｐ．Ｓａｌｌｅｎ）和基（Ｅ．Ｌ．Ｋｅｙ）提出用单极正反 馈电路实现不同滤波特性的二阶电路，其电路图见 图１，它的优点是电路性能稳定，增益容易调节。而 无限增益多路反馈路增益调节对电路性能会有影 响，因而其应用范围小于ＶＣＶＳ电路［３］。由电路图 １可以列出节点方程，求出系统传输函数为： １＋Ｒ可４ （８） 瓜３ 滤波器的截止角频率： ∞。一—＝＝兰＝＝一２ ７ｒ－厂， ￣／ＲｌＲ２ＣｌＣ２ （６）的分母中含Ｓ的一次项系数可得： （９） Ｑ为品质因数，其倒数为阻尼系数。对照公式（５）、 志＋志Ⅷ“，志一子（１０， 为了减少输入偏置电流及其漂移对电路的影响， 应使： Ｒ。＋Ｒ。一瓦Ｒ－３ＦＲ面４ Ｕ （１１） 公式（７）（８）（９）（１０）只能列出四个方程，而待定未 知量Ｒ。、Ｃ。、Ｒ。、Ｃ：、Ｒ。、Ｒ。六个，所以解有无数个。 根据以往经验可让Ｒ。一Ｒ：，Ｃ。一Ｃ：，因此对滤波 器加两个约束条件：Ｒ。一Ｒ。一Ｒ，Ｃ，一Ｃ：一Ｃ， 图１ 压控电压源（ＶＣＶＳ）二阶滤波电路 而Ｃ，、Ｇ可以根据滤波器的工作频率与电容关系表 １ Ｈ（ｓ）一 ｒ５３确定。这样可以确定参数Ｒ。、Ｃ，、Ｒ。、Ｃ。、Ｒ。、 Ｒ。。压控电压源二阶低通滤波电路就设计完毕。注 意在实际计算时会存在这样的问题，当通带电压放 大倍数大于１时，先按照表１确定电容大小，再求 万方数据 ２００７年第３期 谭家杰等：基于ＥＷＢ高阶有源滤波器设计研究 电阻；当通带电压放大倍数等于１时，按前面方法 则有可能存在Ｒ，、Ｒ。、Ｒ３、Ｒ。求出来可能是复数，碰 到这样的情况可以先确定电阻大小，然后确定电容 大小。这样便解决了有源滤波器参数选择困难的 问题。 表１ ｆ １＿１０ＨＺ 其中 玎可‰，Ｈｓ㈤一南。 表２ 传输函数 Ｒｔ ２５．７５ｋｎ ９．８７ｋｎ １５．９２ｋｒｌ Ｒ２ ９．８７ｋｎ ９．８７ｋＱ Ｃ１ ０．０１／１Ｆ ０．０１ＦＦ ０．０１ＦＦ Ｃｚ Ｈ１（ｓ） Ｈ２（ｓ） Ｈ３（ｓ） Ｈｔ（ｓ） 一 ５丁干五％蠢Ｏｉ玎，Ｈｚ（；） 丁Ｕ?Ｕ上 Ｔ ３ １ 一 ④根据上述归一化传输函数分别求出参数如下表 滤波器工作频率与电容取值关系‘５３ １—１０ｋＨｚ １０一ｌｏｏｋＨＺ ０．１—１ＭＨｚ 滤波器元件参数表 Ｒａ ７０．１７ｋｎ 。。０ Ｒｌ ７０．１ ７ｋｎ １９．６７ｋｎ １０—１００Ｈ２ ０．１～１ｋＨｚ ０．０１ｐ．Ｆ ０．０３ｕＦ Ｃ ２０—ｌｕＦ １０—０．１ｕＦ ０．ｔ－０．０１ｕＦ １０—１ｎＦ １—０．１ｎＦ １００～ｌＯｐＦ ２．２ 组合成高阶滤波器 高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而 ⑤根据表２参数用ＥＷＢ软件设计有源滤器。 ４ ＥＷＢ对设计滤器仿真 成。当ｎ为偶数的高阶滤波器时，滤波器可以由昙 按照表２提供参数用ＥＷＢ软件设计出有源滤器电 个二阶基本节级联而成；而ｎ为奇数的高阶滤波器 时，可以由罕个二阶基本节和一节一阶基本节 级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤 波器的基础。设计有源滤波器，就是根据所给定的 路如下图： 指标要求，确定滤波器的阶数ｎ，选择具体的电路 形式，算出电路中各元件的参数值，使设计的滤波 器满足指标要求，基本步骤如下： ①根据阻带衰减要求，确定滤波器的阶数ｎ。②选 择具体的电路形式。③根据电路的传输函数和去归 一化滤波器传输函数的分母多项式，建立起系数的 方程组。④解方程组求出电路中元件的具体数值。 ⑤安装电路并进行调试，使电路性能满足指标 要求。 ３ 一 ７０１７ｋ０ ７０１７ｋ０ １９ ６７ｋ０ 严烈愀 ５…９：皇ｏｌｖＦ ｌ ｝嘶■Ｌ汪 图２ ÷上 五阶巴特沃斯低通滤波器电路图 电路的幅频特性仿真结果如下图： 应用实例及实验证明 ［例］要求设计一个高阶有源低通巴特沃斯滤波器， 指标为：截止频率为ｆｃ—ｌｋＨｚ，通带电压放大倍 数：Ａ。。＝２，在ｆ一２ｋＨｚ时，要求幅度衰减大于２０ ｄＢ。 图３ 电路的幅频特性仿真结果 电路的相频特性仿真结果如下图： ①由公式Ｎ—ｌｏｇ澍／ｌｏｇ∞ｗ＿Ａｐ。，ｇ￥Ｎ一５ 设计步骤： ②选择压控电压源作为低通滤波器的电路形式。 该电路的归一化传输函数：Ｈ（ｓ） Ａ。 一 其 图４ 电路的相频特性仿真结果 归一化传输函数可以根据巴特沃斯滤波器设计方 法求出，也可以根据Ｎ查表得到。 ③该电路的传输函数：Ｈ（ｓ）一Ｈｌ（ｓ）Ｈｚ（ｓ）Ｈｚ（ｓ）， 集成运放采用７４１，电阻、电容按照表２参数，参照 图２安装好实际电路，测量有源滤波器的幅频特 性。实验时，打开函数信号发生器，使其输出幅度 万方数据 ５８ 衡阳师范学院学报 ２００７年第２８卷 Ｕｌ为１ｖ的正弦信号，将此信号加到滤波器的输入 端，在保持函数信号发生器输出幅度不变的情况 下，改变输出频率，用交流毫伏表测量输出端的电 压Ｕ。。每当改变频率时，都必须观察输入端电压是 否稳定，将数据记录表３。 表３ Ｆ（ｋＨ” ０．Ｉ （）．３ ０＇ｌ ０．５ 计算电阻采用单位为千欧，因此在装配电路时存在 误差的结果。③在２０００Ｈｚ频率上，其幅度衰减为一 ２３ ｄＢ，符合技术指标不小于２０ ｄＢ的要求。总体上来 说该有源滤波器完全满足要求。 ５ 结束语 用ＥＷＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｗｏｒｋ Ｂｅｎｃｈ）软件设计出 实际电路幅频特性测量 ０．６ ０．７５ ０ ８７ ｌ ０ １．０７ １】８ １ ３３ １．４６ ２．０ ３．０ ｕｌ（Ｖ） １ １ ｌ ｊ １ １ １ １ ｌ ｌ １ １ １ 五阶巴特沃斯低通滤波器，其电路简单明了，参数 容易确定，且电路调试方便。以上设计滤波器通过 仿真及实验，滤波器性能稳定，在信号处理、通信和 测试工程领域有实用参考价值。 Ｕ２ｔＶ， ２．０１ ２．１ ４ ２ ２（） ２ ３Ｉ ２．４０ ２．；ｌ ２ １５ ｌ ８２ １．４ｌ （）９２ ０．５３ ０．３５ ０ ０７ ０．００８ 根据表３数据绘制实际幅频特性图如下： １０ Ｏ 一‘１０ ∞ 参考文献： ［１］尉云峰．ＲＣ有源虑波器优化综合技术研究ｌ－Ｊ］．机电 工程，２００２，４（１９）：３４—３５． ［２］伍刚，．有源低通二滤波器的设计［Ｊ］．测控技 术，２００５，４（２４）：８５—８６． 号一２０ －３０ ＿４０ ．５０ ０ ５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ ｆｆＨｚ） ［３］郑君里，应启珩，杨为理．信号与系统［Ｍ］．北京： 高等教育出版社，２０００． 图５ 实际电路幅频特性 Ｅ４－１刘淑琴．信号与系统实验箱的带通滤波器设计［Ｊ］．内 蒙古师范大学学报，２００５，３３（４）：３８６—３８９． ［５］武卫华，游春豹．电子工作平台上的有源滤器综合分 析与设计口］．电测与仪表，２０００，１１（３７）：３０一３３． Ｅ６］陆燕，李正生，潘蕾．ＥＷＢ在《信号与线性系统》课 程中的应用［Ｊ］．国外电子测量技术，２００４（３）： ２６—２８． 根据实际测量结果可以得到以下结论： ①在０－４００Ｈｚ频率范围内电路的电压增益为２，满 足设计技术指标，在４００—８００Ｈｚ范围内近似满足 要求。 ②根据实际测量值，该滤波器的通频带为 １．０７ｋＨｚ，略大于技术要求，产生这种现象原因是在 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｏｒｄｅｒ Ａｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＷＢ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＴＡＮ Ｊｉａ—ｊｉｅ，ＹＯＵ Ｋａｉ—ｒｕｉｎｇ，ＴＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｆｅｎｇ，ＬＵＯ Ｃｈａｎｇ—ｙｏｕ，ＬＪＵ Ｃｈｉ，ＷＡＮＧ Ｙｏｕ—ｗｅＨ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ Ｈｕｎａｎ ４２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｎ ＥＷＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｗｏｒｋ Ｂｅｎｃｈ）ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ ａｎａｌｏｇｕｅ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃａｎ ＥＷＢ．Ｉｔ ｔａｋｅｓ ｆｉｖｅ ｏｒｄｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ， ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ｔｅｓｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｒｅａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｑｕｏｔａ ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ａｃｔｕａｌ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｏｒｄｓ：ＥＷＢ；ａｃｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 万方数据 基于EWB高阶有源滤波器设计研究 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 谭家杰， 游开明， 唐建锋， 罗昌由， 刘驰， 王友文， TAN Jia-jie， YOU Kai-ming ， TANG Jian-feng， LUO Chang-you， LIU Chi， WANG You-wen 衡阳师范学院,物理与电子信息科学系,湖南,衡阳,421008 衡阳师范学院学报 JOURNAL OF HENGYANG NORMAL UNIVERSITY 2007,28(3) 4次 参考文献(6条) 1.尉云峰 RC有源虑波器优化综合技术研究[期刊论文]-机电工程 2002(04) 2.伍刚; 有源低通二滤波器的设计[期刊论文]-测控技术 2005(04) 3.郑君里;应启珩;杨为理 信号与系统 2000 4.刘淑琴 信号与系统实验箱的带通滤波器设计[期刊论文]-内蒙古师范大学学报 2005(04) 5.武卫华;游春豹 电子工作平台上的有源滤器综合分析与设计[期刊论文]-电测与仪表 2000(11) 6.陆燕;李正生;潘蕾 EWB在信号与线性系统课程中的应用[期刊论文]-国外电子测量技术 2004(03) 本文读者也读过(7条) 1. 张立娟.王雪丹Xue-dan 有源电力滤波器的设计[期刊论文]-煤炭技术2009,28(4) 2. 袁石文.卢辉斌.金海龙.副井裕.Yuan Shi-wen.Lu Hui-bin.Jin Hai-long.Fukui Yutaka 一种电流型通用有源 滤波器[期刊论文]-仪器仪表学报1998,19(1) 3. 王子玲.刘福太.张公学.WANG Zi-ling.LIU Fu-tai.ZHANG Gong-xue 巴特沃兹有源滤波器设计中的灵敏度分析 [期刊论文]-海军航空工程学院学报2004,19(1) 4. 翁建华 用有源器件设计二阶电流型滤波器[期刊论文]-大连轻工业学院学报2003,22(3) 5. 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