四阶巴特沃斯高通滤波器

本文详细介绍了四阶巴特沃斯高通滤波器的设计过程,包括理论参考、电路设计、MATLAB时域和频域分析以及Multisim仿真。在MATLAB中,通过拉普拉斯变换进行了阶跃和冲激响应的分析,并绘制了幅频和相频特性曲线。在Multisim仿真和实际电路实现中,验证了设计的准确性,实际测试结果与理论预测相符。

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一、设计方案

1.理论参考

图1.1-1 巴特沃斯高通滤波器归一化幅频响应

图1.1-2 巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益的关系

图1.1-3 二阶高通滤波电路及其传递函数

2.电路设计

综合滤波器滤波效果及电路实现难度,采用四阶高通滤波器

图1.2-1 四阶高通滤波电路

查表得到,四阶巴特沃斯的一级电路的放大系数为1.152,第二级的放大系数为2.235,则R4/R3=1.152-1=0.152,R8/R7=2.235-1=1.135

故选取电阻值R3=100KΩ,R4=15.2KΩ,R7=10KΩ,R8=12.35K。滤波电阻选取15KΩ,电容选取0.01uF

谐振频率为

电路总增益Av=1.152*2.235=2.57472

系统函数求解:

二、MATLAB分析

1.时域分析

(1)阶跃响应

用MATLAB通过拉普拉斯逆变换求得系统函数1/s的时域表达式,然后通过MATLAB画图得出时域表达式的图像。

输入命令:

syms s
Hs=(2.57472*(s*0.00015)^4/((s*0.00015)^4+2.613*(s*0.00015)^3+3.41372*(s*0.00015)^2+2.613*s*0.00015+1))*1/s;
ylt=ilaplace(Hs)

解得:

ylt=(4956336*exp(-6160*t)*(cos((80*9139^(1/2)*t)/3)-(22111*9139^(1/2)*sin((80*9139^(1/2)*t)/3))/2111109))/1128125-(410346*exp(-2550*t)*(cos((50*136591^(1/2)*t)/3)+(56591*136591^(1/2)*sin((50*136591^(1/2)*t)/3))/20898423))/225625

输入命令:

t=[0:0.0001:0.005];
ylt=(4956336.*exp(-6160.*t).*(cos((80.*9139^(1/2).*t)/3)-(22111.*9139^(1/2).*sin((80.*9139^(1/2).*t)/3))/2111109))/1128125-(410346.*exp(-2550.*t).*(cos((50.*136591^(1/2).*t)/3)+(56591.*136591^(1/2).*sin((50.*136591^(1/2).*t)/3))/20898423))/225625 
plot(t,ylt)

得到波形图:

图2.1-1 MATLAB分析——阶跃响应

(2)冲激响应

输入命令:

syms s
Hs=(2.57472*(s*0.00015)^4/((s*0.00015)^4+2.613*(s*0.00015)^3+3.41372*(s*0.00015)^2+2.613*s*0.00015+1));
y2t=ilaplace(Hs)

解得:

y2t=(8046*dirac(t))/3125-(59329416*exp(-2550*t)*(cos((50*136591^(1/2)*t)/3)-(14778423*136591^(1/2)*sin((50*136591^(1/2)*t)/3))/2266181281))/9025-(8636411904*exp(-6160*t)*(cos((80*9139^(1/2)*t)/3)-(749133*9139^(1/2)*sin((80*9139^(1/2)*t)/3))/172434652))/225625

输入命令:

t=[0:0.0001:0.005];
y2t=(8046.*dirac(t))/3125-(59329416.*exp(-2550.*t).*(cos((50.*136591^(1/2).*t)/3)-(14778423.*136591^(1/2).*sin((50.*136591^(1/2).*t)/3))/2266181281))/9025-(8636411904.*exp(-6160.*t).*(cos((80.*9139^(1/2).*t)/3)-(749133.*9139^(1/2).*sin((80.*9139^(1/2).*t)/3))/172434652))/225625
plot(t,y2t)

得到波形图:

图2.1-2 MATLAB分析——冲激响应

2.频域分析

(1)幅频特性

输入命令:

sys=tf([2.57472*(0.00015)^4,0,0,0,0],[(0.00015)^4,2.613*(0.00015)^3,3.41372*(0.00015)^2,2.613*0.00015,1]);
margin(sys)

得到波形图:

图2.2-1 MATLAB分析——幅频特性曲线、相频特性曲线

由图中可以看出通带增益为20lg(2.574)=8.21,截至频率为6670rad/s,即约为1061Hz,与之前计算

相同。

(2)相频特性

命令及得到的波形图同2.1.1幅频特性

由图中可以看出截至角频率为5370rad/s,即约为855HZ。在855HZ处,ΔΨ=223°

(3)S域分析

B=[2.57472*(0.00015)^4,0,0,0,0];
A=[(0.00015)^4,2.613*(0.00015)^3,3.41372*(0.00015)^2,2.613*0.00015,1];
p=roots(A);%求极点
q=roots(B);%求零点
p=p';%转置为行向量
q=q';%转置为行向量
x=max(abs([p,q]));%确定纵坐标轴范围
x=x+0.1;
y=x;%确定横坐标轴范围
hold on;
axis([-x,x,-y,y]);
axis('square');
plot([-x,x],[0,0]);
plot([0,0],[-y,y]);
plot(real(p),imag(p),'x');%画极点
plot(real(q),imag(q),'o');%画零点
title('零极点图');
text(0.2,x-0.2,'虚轴');
text(y-0.2,0.2,'实轴')

得到波形图:

图2.3-1 MATLAB分析——S域分析

由上图可以看出,极点均在左侧,所以系统是稳定的。

三、Multisim仿真

1.时域分析

图3.1-1 时域分析仿真电路图

(1)阶跃响应

图3.1-2 阶跃响应输入、输出

与MATLAB波形一致

(2)冲激响应

图3.1-3 冲激响应输入、输出

与MATLAB波形一致

2.频域分析

采用波特仪测量幅频曲线和相频曲线

图3.2-1 频域分析仿真电路图

(1)幅频特性

图3.2-2 仿真电路幅频特性曲线

由上图可知,在增益为5.33dB时,即约为-3dB点左右,频率约为1069HZ,这与MATLAB的计算结果相近。

(2)相频特性

图3.2-3 仿真电路相频特性曲线

四、电路实现及实际效果

1.电路实物图

图4.1-1 电路实物图

2.时域分析

(1)阶跃响应

图4.2-1 阶跃响应实际波形图

与仿真波形相近

(2)冲激响应

图4.2-2 冲激响应实际波形图

与仿真波形相近

2.频域分析

(1)幅频特性

f/Hz

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Ui/Vpp

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Uo/Vpp

0.04

0.04

0.08

0.18

0.37

0.74

1.34

2.14

2.98

3.72

Av

0.02

0.02

0.04

0.09

0.185

0.37

0.67

1.07

1.49

1.86

20log(Av)/dB

-33.98

-33.98

-27.96

-20.92

-14.66

-8.64

-3.48

0.59

3.46

5.39

f/Hz

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

Ui/Vpp

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Uo/Vpp

4.24

4.52

4.72

4.8

4.88

4.92

4.96

5

5

5.04

Av

2.12

2.26

2.36

2.4

2.44

2.46

2.48

2.5

2.5

2.52

20log(Av)/dB

6.53

7.08

7.46

7.60

7.75

7.82

7.89

7.96

7.96

8.03

图4.3-1 实际幅频特性曲线图

(2)相频特性

f/Hz

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Deg

-15

-28

-50

-67

-85

-104

-122

-144

-170

-193

f/Hz

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

Deg

-214

-227

-240

-252

-262

-265

-271

-280

-281

-288

图4.3-2 实际相频特性曲线图

五、总结

通过查阅网站资料及参考模电课本,设计出四阶巴特沃斯高通滤波器后,依次进行MATLAB分析、Multisim仿真、焊制并测试实际电路,理论与实际相结合验证了该系统的可行性。

参考文章:四阶巴特沃斯低通滤波器设计

下载:四阶巴特沃斯高通滤波器Multisim仿真文件

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