2MHz切比雪夫低通滤波器设计说明书

华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心1文档名称文档资源编号2MHz切比雪夫低通滤波器设计说明书文档版本012.02MHz切比雪夫低通滤波器设计说明书拟制:杨群刘巍日期：2015-04-15审核:张淦日期：2015-04-18文档版权声明本文档版权归华中科技大学电工电子科技创新中心网站所有，未经本网站授权不得向任何其它企业、网站、论坛或个人上传、拷贝或其它方式传播本文档内容。华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心2修订记录日期修订版本修改描述作者2015-04-151.0报告初稿杨群2015-04-182.0附录补充刘巍华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心3目录目录1.技术简介....................................................................................................................61.1.目的............................................................................................61.2.技术背景......................................................................................62.总体设计....................................................................................................................72.1.系统架构与功能分解.........................................................................72.2.创新点与差异特性设计.....................................................................83.硬件设计....................................................................................................................93.1.硬件系统框图..................................................................................93.2.滤波器电路设计...............................................................................93.3其它电路.......................................................................................124.系统测试与总结......................................................................................................124.1.测试方案.......................................................................................124.2.测试用例及结果.............................................................................134.3.总结..............................................................................................155.附录：Tina-TI仿真结果.............................................................................................155.1方波滤波仿真.................................................................................155.2傅里叶分析仿真.............................................................................165.3频率响应仿真.................................................................................17华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心4华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心5关键词：MFB低通模拟有源滤波器；filtersolutions；WEBENCH设计平台；Tina-TI摘要：综合运用filtersolutions、WEBENCH等设计工具，设计合适的有源低通滤波器，实现输入2MHz的方波，输出无明显失真的2MHz正弦波。缩略语清单：缩略语英文全名中文解释FSfiltersolutions一款滤波器设计软件THDTotalHarmonicDistortion高次谐波失真GPOPGeneralpurposeOPAmp通用运放模块华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心61.技术简介1.1.目的1）目的：模拟有源滤波器是用于筛选信号中某一部分频率，而遏制其他频率成分的一种特殊电路。由于其频域的筛选特性，模拟有源滤波器常被用于去噪、抗混叠等信号处理过程中，在测量、控制和通信等领域扮演着重要的角色。对于即将参加全国大学生电子设计大赛的学生来说，熟练掌握模拟滤波器的设计流程和设计方法是十分必要。我们希望通过本次实践过程初步掌握模拟有源滤波器的设计过程和方法。2）目标：1.熟悉并掌握在模拟有源滤波器设计过程中需要的理论知识和设计方法。2.掌握filtersolutions、WEBENCH等滤波器设计工具和Tina-TI仿真工具。3.根据GPOP模块，设计并制作有源滤波器，实现输入2MHz的方波，滤波输出无明显失真的2MHz正弦波。1.2.技术背景1）目前，业内模拟有源滤波器种类繁多，性能不一。根据不同的标准大致可将常用的模拟有源滤波器设计方案分为以下几类。1.按照滤波器特性分类：a.贝塞尔滤波器：具有最平坦的相移特性，因而这种滤波器能够无失真的传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号。但其截止特性相当差。b.切比雪夫滤波器：在通带内具有相等的纹波，截止特性很好，但是相位特性和群延迟特性较差。华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心7c.巴特沃斯滤波器：通带和阻带内的特性都最为平坦，截止特性和相移特性都比较好。是应用最为广泛的一种滤波器d.椭圆滤波器：截止特性较以上几种类型的滤波器更好，但是对于元件要求很严格。2.按照拓扑结构分类：a.SallenKey类型：对寄生参数较敏感，具有高频馈通现象，因此高频特性较差b.MFB类型：对寄生参数较不敏感，无高频馈通现象。2）本4阶低通滤波器设计方案采用切比雪夫类型，MFB结构。2.总体设计2.1.系统架构与功能分解系统结构框图如图1所示。由信号发生器产生频率为2MHz的方波作为系统的输入信号，经过MFB结构的4阶低通模拟有源滤波器滤除方波信号中的高次谐波，只剩下频率为2MHz的基频正弦波作为系统的输出。数字示波器用于观察输出的正弦波，并进行FFT运算观察输出信号中的频率成分。华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心8数字示波器信号发生器电源滤波电路直流稳压电源低通有源滤波器图1系统结构框图方案的重点在于如何利用现有元件，根据GPOP模块结构设计出符合标准的滤波电路。难点是在满足上述限制下，如何综合利用各种设计工具实现足够陡峭的过渡带，在3倍频的范围内完成过渡，将高次谐波衰减符合要求的范围内。2.2.创新点与差异特性设计filtersolutions（FS）是非常常用的滤波器设计软件，但是FS中选择个别类型的滤波器的时候无法设置阻带频率点和阻带增益。因此我们将FS和TI公司推出的综合设计平台WEBENCH、仿真软件Tina-TI结合起来使用，在满足简单易用的同时可以更大程度的细化滤波器设计参数，且对于TI公司的芯片更有针对性，从而使得设计过程更加科学简单。华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心93.硬件设计3.1.硬件系统框图电源输入端口输出端口四阶低通滤波电路图2硬件系统框图硬件系统框图如图2所示。本系统主要由输入输出端口、滤波电路和电源部分构成。由外部信号发生器产生的方波信号经过输入端口输入到滤波电路中，电路对高次谐波进行过滤后得到无明显失真的正弦波通过输出端口输出。电源部分负责为滤波电路提供稳定的、低噪声的电源。3.2.滤波器电路设计3.2.1需求分析根据本设计的要求：从频率为2MHz,幅值为的正方波中滤出无明显失真的正弦波。对峰峰值为，2MHz正方波进行傅里叶分析。()∑()()∑()()由以上表达式可知，基波峰峰值应为。三次谐波的峰峰值，为基波幅值的。因此为得到无明显失真的正弦波，只需将三次谐波的峰峰值衰减至基波峰峰值的百分之一以下，并且保持基波峰峰值基本不变。3.2.2传递函数与结构根据以上分析华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心101）由于要求三次谐波峰峰值小于基波的百分之一，即三倍频之内衰减应小于-30dB，故选用4阶滤波器。且目标只是得到无明显失真的正弦波，对通频带内增益的平坦程度没有要求，故采用具有更为陡峭衰减特性的4阶切比雪夫低通滤波器。2）滤波器的截止频率为2MHz因此选用高频特性较好的MFB结构。3）为了将正方波的直流分量去除，在输入端串联一个10uF耦合电容。3.2.3滤波器参数的确定通过查表得到4阶切比雪夫系数如下（0.05dB纹波）阶数n滤波器序号滤波器系数滤波器系数411.7511.00320.4360.626低通滤波器的传递函数如下。()滤波器结构图如图3所示图3滤波器结构图取2V5P2V5N2V5P2V5NC11C21+VG1R11R31R21-++U1OPA356R7C12C22VF2R32R12R22-++U2OPA356R8C110u华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心11根据计算，该滤波器传递参数如下()故元件参数应满足以下关系{带入切比雪夫系数，解得{选取元件参数如下{3.2.4芯片选择因为滤波电路截止频率为2MHz，增益为1，故信号的增益带宽积为2MHz，根据经验，芯片的增益带宽积最好是最大需求的10~100倍，才能保证系统性能最优，故选用增益带宽积大于100MHz的运放。输出正弦波峰峰值约为2，则由公式计算出需要的压摆率至少为25V/us,在选择时也要留有10倍以上的裕量，故选用压摆率大于250V/us的运放。系统供电电压为±2.5V，故选用最小供电电压小于或等于正负2.5V的运放。综上所述，TI公司的OPA2356运放芯片可以满足设计要求。华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心123.2.5设计结果图4设计结果（Tina-TI仿真结果见附录。）3.3其它电路电源电路设计图5电源电路利用磁珠与去耦电容，减小电源纹波使运放工作在更加稳定的状态。4.系统测试与总结4.1.测试方案1）测试环境仪表信号仪表名称信号发生器TektronixDPO2012B数字滤波器直流稳压电源DF1731SL1ATA稳压源示波器EE1420型DDS合成函数信号发生器2V5P2V5N2V5P2V5NC1147pC21150p+VG1R111kR311kR211k-++U1OPA356C1212pC22330pVF2R321kR121kR