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。