RC高通有源滤波器专业课程设计方案报告.doc

课 程 设 计

设计题目 RC高通有源滤波器

学生姓名

学 号

专业班级

指导老师

设计题目
RC高通有源滤波器
成绩

课
程
设
计
主
要
内
容
设计制作一个增益可调，截止频率WC=3000HzRC有源高通滤波器
1. 阅读教材第十章第八节，了解RC有源滤波器；
2. 查阅相关RC有源滤波器设计相关资料，确定设计方案和元件数值；
3. 用Multisim模拟所得滤波器频响特征（运放选择NE5532）；
4. 因为试验室只能提供特定元件数值，根据能取得元件数值对电路进行修正和模拟，取得最符合要求电路元件参数。
5. 按取得电路及元件参数，用面包板焊接好滤波器，连接信号发生器、示波器，测试电路频响。
6. 分析试验结果：测试结果和模拟结果差异及其原因及可能改善方法。
7. 撰写课程设计汇报。
指
导
教
师
评
语
提议：从学生工作态度、工作量、设计（论文）发明性、学术性、实用性及书面表示能力等方面给出评价

署名： 200 年 月 日
设计类型：信号和系统课程设计
一. 课程设计题目：设计制作一个增益可调，截止频率=3000HzRC有源高通滤波器
要求以下：
1. 阅读教材第十章第八节，了解RC有源滤波器；
2. 查阅相关RC有源滤波器设计相关资料，确定设计方案和元件数值；
3. 用Multisim模拟所得滤波器频响特征（运放选择NE5532）；
4. 因为试验室只能提供特定元件数值，根据能取得元件数值对电路进行修正和模拟，取得最符合要求电路元件参数。
5. 按取得电路及元件参数，用面包板焊接好滤波器，连接信号发生器、示波器，测试电路频响。
6. 分析试验结果：测试结果和模拟结果差异及其原因及可能改善方法。
7. 撰写课程设计汇报。
二. 课程设计目标：
1. 了解RC有源滤波器，学习RC有源滤波器设计方法，由滤波器设计指标计算电路元件参数。
2. 掌握应用Multisim软件；
3. 掌握常见元器件识别和测试，测量有源滤波器幅频特征；
4. 熟悉常见仪表，了解电路调试基础方法，提升利用所学知识分析和处理实际问题能力；
5. 体会课程设计过程，经过理论联络实际，提升和培养创新能力，提升实践能力，为后续课程学习，毕业设计，毕业后工作打下基础。
二. 课程设计环境：
Multisim介绍
Multisim是Interctive Image Technologies企业推出一个专门用于电子电路仿真和设计软件，现在在电路分析、仿真和设计等应用中较为广泛。该软件以图形界面为主，采取菜单栏、工具栏和热键相结合方法，含有通常Windows应用软件界面风格，用户能够依据自己习惯和熟练程度自如使用。尤其是多个可放置到设计电路中虚拟仪表，使电路仿真分析操作更符合工程技术人员工作习惯。下面关键针对Multisim11.0软件中基础仿真和分析方法做简单介绍。
EDA就是“Electronic Design Automation”缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家现在已经基础上不存在电子产品手工设计。一台电子产品设计过程，从概念确实立，到包含电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内物理级设计再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计关键技术手段。
功效：
1. 直观图形界面
2. 丰富元器件
3. 强大仿真能力
4. 丰富测试仪器
5. 完备分析手段 
6. 独特射频(RF)模块
7. 强大MCU模块
四. 课程设计内容：
1. 方案比较及工作原理：
方案一：压控电压源二阶高通滤波器
压控电压源二阶有源高通滤波器电路原理图1所表示，运算放大器为同相接法，滤波器输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益轻易调整。

图1.压控电压源二阶高通滤波器
其传输函数为：

通带放大倍数：

令R1=R2=R，C1=C2=C，截止频率：

品质因数：

方案二：无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
无限增益多路负反馈二阶高通滤波器图2所表示，运算放大器为反相接法，因为放大器开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端经过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压和输入电压相位相反，元件较少，但增益调整不方便。

图2.无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
该电路传输函数为：

通带放大倍数：

截止频率：

品质因数：

方案选择：
压控电压源二阶高通滤波器增益轻易调整，而无限增益多路负反馈二阶高通滤波器尽管元件较少，但增益调整不变，依据题目要求，我们选择方案一。另外，我们在方案一基础上又实现了三阶、四阶、差分形式高通有源滤波器，实现性能提升。
2. 设计分析

图3.原理图
RC高通有源滤波器截止频率WC=3000Hz，依据截止频率公式

依据试验室提供元器件，令C=10nF，计算得到R=5305.16Ω，依据试验室提供电阻，令R=5.3kΩ，此时得到截止频率大约为

假定R1=Rf=20kΩ，能够经过调整R1和Rf值，来调整增益，此时其通带放大倍数：

品质因数：

传输函数：

3. 模拟仿真
Multisim仿真电路图图4所表示。

图4.Multisim仿真二阶高通有源滤波器
波特图示仪XBP1显示波形图5所表示，幅度增益在小于3000Hz时逐步减小，在大于3000Hz时，幅度增益基础保持不变。

图5.二阶RC高通有源滤波器幅频特征
4. 实物制作
因为在设计时已经考虑到实际电阻电容参数值，直接制作即可，其中R=2kΩ+3.3kΩ=5.3kΩ，R使用2kΩ电阻和3kΩ电阻串联而成。焊接实物图图6所表示。

图6.焊接实物图
5. 元器件清单
元件名称
规格及用途
数量
NJM5532DD
双运放、直插DIP-8
1
电容
10nF
2
电阻
20kΩ
2
电阻
2kΩ
2
电阻
3.3kΩ
3
万用板
5*7cm 线路板、洞洞板
1

6. 测试
电路焊接好后，需要函数发生器、示波器、万用表各一个，一个能产生+12V，-12V直流稳压并联接地电源，函数发生器产生0至10KHz，幅值为1V信号。直流稳压电源+5V接5532DD JRC8引脚，-12V接4引脚。示波器CH1连接电路输入端，CH2连接电路输出端。调整输入信号频率从1改变至10KHz，观察输入输出信号波形幅值改变，当输入频率小于3KHz时，输出信号增益快速衰减，当输入频率大于3KHz时，输出信号幅度基础保持不变，和仿真相符合。
注意：在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路，且不能带电操作。

图7.测试连接

图8.1KHz时波形

图9.1.7 KHz时波形

图10.3KHz时波形

图11 10KHz时波形
7. 误差分析
(1) 电阻标称值和真实值之间存在误差，
(2) 在选择电阻时，实际电阻和理论计算电阻不太相符，造成误差
(3) 测量仪器误差，关键是示波器量化误差
(4) 系统误差，关键是测量仪器内阻影响，造成仪器读数值和电路真实值之间存在误差。
(5) 电源电压输出值和真实值之间存在误差
(6) 示波器及函数信号发生器抗干扰能力差，产生误差
8. 优化方法
(1) 我们能够经过采取电阻、电容串并联方法迫近理想参数，减小误差。
(2) 提升滤波器阶数，使增益在阻带衰减加紧
(3) 采取巴特沃斯特征、切比雪夫特征及贝塞尔特征滤波器改善性能
(4) 差分输入输出滤波器
三阶高通有源滤波器仿真电路图图12所表示，幅频特征图13所表示。

图12.三阶高通有源滤波器仿真电路图

图13.三阶RC高通有源滤波器幅频特征
四阶高通有源滤波器仿真电路图图14所表示，幅频特征图15所表示。

图14.四阶高通有源滤波器仿真电路图

图15.四阶RC高通有源滤波器幅频特征
经过对二阶、三阶及四阶滤波器频率响应分析，阶数越高，增益在阻带衰减越快，滤波器性能越好，不过滤波器阶数越高，所用元器件越多，成本越高，在性能要求不高时，尽可能选择适合滤波器
五阶巴特沃斯高通滤波器仿真电路图图16所表示，幅频特征图17所表示

图16.巴特沃斯高通滤波器仿真电路图

图17.巴特沃斯高通滤波器幅频特征
差分高通有源滤波器仿真电路图图18所表示，幅频特征图19所表示

图18.差分高通有源滤波器仿真电路图

图19.差分高通有源滤波器幅频特征

五. 心得体会：
经过这次课程设计，让我愈加深刻了解书本知识，和以往对知识疏忽得以补充，在设计过程中碰到部分模糊公式和专业用语，比如说经济刮板运输机及皮带运输选择，在选择选择刮板皮带运输选型时,在使用手册时，有数据极难查出，不过这些问题经过这次设计，全部一一得以处理，我相信这本书中还有很多我为搞清楚问题，不过这次课程设计给我相当基础知识，为我以后工作打下了严实基础。 
即使这次课程是那么短暂2周时间，我感觉到这些天我所学胜过我这一学期所学，这次任务标准上是设计，其实就是一次大作业，是让我对书本知识巩固和对基础公式熟悉和应用，计算力学和运动学及预选电动机过程中那些繁琐数据，使我做事耐心和仔细程度得以提升。课程设计是培训学生利用本专业所学理论知识和专业知识来分析处理实际问题关键教学步骤，是对三年所学知识复习和巩固。一样，也促进了同学们相互探讨，相互学习。所以，我们必需认真、谨慎、扎实、一步一步完成设计。假如时间能够重来，我可能会认真去学习和研究，也可能会自己独立完成一个项目，我相信不管是谁看到自己做出结果时心里一定会很兴奋。此次设计让我明白了一个很深刻道理：团体精神当然很关键，担人往往还是要靠自己努力，自己亲身去经历，这么自己心里才会扎实，学到东西才会更多。

六. 参考文件：
[1]. （日）马场清太郎著；何希才译．运算放大器应用电路设计 [M]．北京：科学出版社，.
[2]. 卿太全．集成运算放大器应用电路集萃[M]．北京：中国电力出版社，.10.
[3]. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础（第四版）[M]．北京：高等教育出版社，.5.
[4]. 郑君里，应启珩，杨为理．信号和系统（第三版）[M]．北京：高等教育出版社，.3.