有源滤波器设计报告书.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

广东工业大学课程设计任务书

题目名称
有源滤波器设计
学 院

专业班级

姓 名

学 号

摘要
滤波器( filter) 是一种用来消除干扰杂讯的器件, 将输入或输出经过过滤而得到的纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路, 就是滤波器, 其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。带通滤波器( band-pass filter) 是指能经过某一频率范围内的频率分量, 能将其它范围分量衰减的设备。一个理想滤波器应该有一个完全平坦的通带, 例如在通带内没有增益或者衰减, 而且在通带之外所有频率都被完全衰减掉。另外, 通带外的转换在技校的频率范围完成。实际上, 并不存在理想的带通滤波器, 因为并不能将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉, 特别是在索要的通带外还有一个被衰减可是没有被隔离的范围, 这一般被称为滤波器的滚降现象, 使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。一般, 滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好, 这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而随着滚降范围越来越小, 一般就变得不再平坦-开始出现”波纹”。这种现象在通带的边缘处特别明显, 这种效应被称为吉布斯现象。
带通滤波器能够广泛应用在电子学和信号处理领域, 本文重点介绍了带通滤波器的工作原理以及设计方法, 介绍了带通滤波器的工作原理并设计了一个带通滤波电路, 并给出了系统的电路设计方法和主要模块的原理分析。由实验结果可知, 该滤波器具有良好的滤波效果, 并能稳定运行。

关键词: 带通滤波器 multisim 设计
目录
前言…………………………………………………………………………………4

第一章 二阶带通滤波器设计的内容和要求 ……………………………………5

第二章 电路设计 …………………………………………………………………6
一、 正弦波产生电路设计 ……………………………………………………6
二、 压控电压源型二阶带通滤波器设计………………………………………8
第三章 电路的仿真调试…………………………………………………………10

第四章 焊接并调试电路…………………………………………………………13

第五章 总结………………………………………………………………………14

第六章 主要参考文献……………………………………………………………15

前言

近几年随着冶金、 化工、 纺织机构等工业使用的各种非线性用电设备而产生的大量的高次谐波, 已导致电网上网正常波形发生严重畸变, 影响到供电系统的电能质量和用户用电设备的安全经济运行。
随着生产技术方式的变化, 生产力确实得到较大提高, 可同时也受到方方面面的限制。如当人们做出了具体的制度设计需要付诸实践进行试验, 试验过程中不可避免地会受到一些偶然随即因素的干扰, 为评价新方案的效果, 需排除这些随即因素的影响, 即需要一个滤波器。经滤波以后对新方案的效果进行检验。
有源滤波器一般由集成运放与RC网络构成, 它具有体积小、 性能稳定等优点, 同时, 由于集成运放的增益和输入阻抗都很高, 输出阻抗很低, 故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。
利用有源滤波器能够突出有用频率的信号, 衰减无用频率的信号, 抑制干扰和噪声, 以达到提高信噪比或选频的目的, 因而有源滤波器被广泛应用于通信、 测量及控制技术中的小信号处理。
此系统以测控电路以及电子电工的基本理论为基础, 并经过查阅手册和参考文献资料, 综合运用测控电路课程中所学的理论知识,在一个团队的共同协作下完成设计的。

第一章 二阶带通滤波器设计的内容和要求
一、 课程设计的内容
1、 设计内容
( 1) 正弦波产生电路中文氏电桥振荡工作原理分析;
( 2) 分析正弦波产生电路中W2的作用;
( 3) 计算二阶带通滤波器电路中各元件的参数;
( 4) 用Matlab画出所设计的二阶带通滤波器的幅频和相频曲线;
2、 电路仿真
根据有源滤波器电路工作原理, 选用相应软件实现电路的仿真, 并画
出电路各点的信号波形, 观察有源滤波器随着输入信号频率的变化, 有源
滤波器输出信号的变化。
3、 使用Protel绘制电路原理图, 布局PCB板, 使用热转印或者曝光方法
制作电路板, 根据系统原理图及所选择的元件及参数, 购买相应元器件, 完
成电路焊接、 调试。

二、 课程设计的要求与数据
1、 完成二阶带通滤波器电路的分析与制作;
2、 讨论与分析, 制作与调试, 演示与答辩, 提交设计报告。

三、 课程设计应完成的工作
1、 电路原理图设计;
2、 电路工作原理分析;
3、 电路参数计算与分析;
4、 电路原理仿真;
5、 电路制作、 调试;
6、 撰写设计报告;
7、 实物演示与答辩。

第二章 电路设计
一、 首先设计一个如下图所示的1000Hz的正弦波产生电路:

RC桥式振荡电路如上图所示。由图示可知 此电路由放大电路和选频网络组成, 其中, R1、 C1和R2、 C2为串、 并联选频网络, 接于运算放大器的输出与同相输入端之间构成正反馈, 以此产生正弦自激振荡。R3、 Rw以及R4组成负反馈网络, 调节Rw可改变负反馈的反馈系数, 从而调节放大的电压增益, 使电压增益满足振荡的幅度条件。RC串并联网络与负反馈中的R3、 Rw刚好组成一个四臂电桥, 电桥的对角线定点街道放大器A1的两个输入端, 桥式振荡电路的名称便由此得来。
根据电路分析RC串并联网络的选频特性, 根据正弦波振荡电路的振幅平衡条件, 选择合适的放大指标, 构成一个完整的振荡电路。
振荡电路的传递函数计算
根据上图计算: ,
其中, Z1、 Z2分别为途中RC串、 并联网络的阻值。
能够计算得到输入与输出的传递函数如下:

……………………( 1.1)
由( 1.1) 式可得, = 即
取==16KΩ,==0.01μf,则有
===1000Hz

振荡电路分析
就实际的频率而言, 可用s=jw替换, 在w=时, 经RC选频网络传输到运放同相端的电压与同相, 这样, 放大电路和由Z1和Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统, 能够满足满足相位平衡条件。
(jω)=
令=, 且==C,==R,则式( 1.2) 变为
(jω)=
由此可得RC串并联选频网络的选频响应
=
相频响应
=-arctan
由此可知
ω=, 或f==
时, 幅频响应的幅度为最大, 即
=
而相频响应的相位角为零, 即
=0
这说明, 当ω=时, 输出的电压的幅度最大( 当输入电压的幅度一定, 而频率可调时) , 而且输出电压时输入电压的, 同时输出电压与输入电压同相。
由于电路中存在噪声, 它的频谱分布很广, 其中也包括w=这样一些频率成分, 这种微弱的信号, 经过放大, 经过正反馈的选频网络, 使输出幅度愈来愈大, 最后受电路中的非线性元件的限制, 使振荡幅度自动的稳定下来, 开始时, 放大电路的放大倍数Av1=; 为可变电阻值的上部分值, 为下部分值, 当Av1略大于3时, 达到稳定平衡状态。因而要经过调节才能输出稳定的正弦波。适当调整负反馈的强弱, 使Av1的值在起振时略大于3, 达到稳定是Av1=3, 其输出波形为正弦波, 失真很小。如果Av1的值略大于3, 则会因振幅的增长, 致使放大器件工作在非线性区域, 波形将产生严重的非线性失真。二极管对A1的输出电压进行限幅再进入比例放大环节调节, W2便能够改变A2的增益, 从而改变输出波形的幅值。
为了让输出波形稳定, 应让====3
解得 =20.3K
==39.8%
因此应该调到39.8%左右, 才产生最理想的波形。
由图( 1.1) 能够得出放大器A2的增益
===

由于0≤≤1K, 因此1.9 ≤≤2.1
由此可见。滑动变阻器的调节功能对放大器的增益影响不大。

二 压控电压源型二阶带通滤波器

2.1 压控带通滤波器的传递函数
压控电压源二阶带通滤波器电路如图所示, 电路的传递函数为:
( s) == (2.1)
式( 2.1) 中: 是带通滤波器的中心角频率。分别为带通滤波器的高低截止角频率。
中心角频率: (2.2)
(2.3)
中心角频率处的电压放大倍数:
(2.4)
式( 2.4) 中,
通带带宽: BW=f=
BW= (2.5)
Q== (BW＜＜时) (2.6)

设计一个压控电压源二阶打通滤波器, 指标要求为: 通带中心频率=1kHz;; 通带电压放大倍数=2;;通带带宽△f=50Hz。

2.2 设计步骤及元器件选择
1) 选取图( 2.1) 压控电压源型二阶带通滤波电路;
2) 该电路的传递函数: (2.7)
品质因数: Q===20
通带的中心频率: =2π×1000 ( 2.8)
通带中心角频率处的电压放大倍数: ==2
=
取C=(μF)=(μF)=0.02μF
为使电路稳定工作必须要求＜3,取
=2
即
由此可算出电阻

=Ω=159155Ω
取标称值=160kΩ
将

将C=0.02μF,=160kΩ, =2=2π代入( 2.8) 得到关于的二次方程:
－－=0
可解得 =5719Ω =11438Ω
取标称值Ω =11.5kΩ
至此, 压控电压源二阶带通滤波器无源器件参数基本确定。
第三章 电路的仿真调试
如下图所示, 为1000Hz正弦波产生电路在Multisim软件中的电路图

打开仿真开关, 调节W1, 调节示波器时间轴比例得到 下图的波形图, 从图中能够看出, 正弦波经过放大, 且周期大约是1ms,即1000Hz.

如上所示为压控电压源二阶带通滤波器电路

上图为对应的波形图, 且能够看出, 通带电压放大倍数大约为2

由上图可看出通带中心频率大约是1000Hz

通带下限截止频率大约是975Hz

通带上限截止频率大约是1025Hz
经过上下限截止频率可知, 通带带宽△f=50Hz。
经过以上仿真可知, 仿真结果基本满足设计要求, 所选元器件参数没有错误, 能够进行实际制作阶段。

第四章 焊接并调试电路。
根据所需列表, 购买相应的元器件, 并根据电路图焊接电路。

定值电阻
电位器
电容
整流二极管
放大器
锡线
其它
16K*2
10K*3
47K*2
160K*1
11.5K*1
5.76K*1
100K*1
1K*1
0.01μF*2
0.02μF*2
2
LM324
一圈
万用板2块
导线若干
万用表1个
电烙铁1个

利用函数信号发生器和示波器对压控电压源二阶带通滤波器进行测试, 直至设计基本达到要求。

第五章 总结
在本小组三个成员的努力下, 经过4天的日夜奋战, 终于按照要求完成任务, 各项指标已经达到了设计要求, 经过测试后发现电路测试效果良好。在课程设计期间, 虽然多多少少出现了一些问题, 但在各位组员的共同努力下, 经过不断的讨论和交流, 最终还是顺利完成了老师交代的任务。
本次课设的题目为《二阶带通滤波器设计》, 是我们本学期所学课程《测控电路》里的一个重要内容, 但纵观整个设计过程, 我们既需要理解并运用《测控电路》里的知识, 也要回忆起大一所学的《电子电路技术( 模拟部分) 》, 还要要求熟练使用multisim软件进行仿真, 可谓是把大一到大三的知识都用了个遍。经过这次课程设计, 我们三人不但对课本的知识有了更加深入的认识, 也体会到各种知识如何在实际的设计中的运用, 还体会到小组成员间应该如何进行配合。
在实验之前, 我们三人进行了资料查阅, 找了不少有关二阶带通滤波器的相关资料, 对我们实验设计的正确开展提供了不少帮助。在进行设计和调试的时候, 不断发现问题, 解决问题, 仔细寻找解决问题的办法。我们学会了对实际设计的带通滤波器的性能进行分析, 找出其存在的问题。由于滤波器的中心频率对电路元件( 如电容、 电阻) 的参数十分敏感, 比较难调试出比较合适的参数, 而且, 在实际中, 电路元件的参数容易随外界环境的干扰发生变化, 容易导致中心频率的偏移, 从而影响滤波结果的准确性。在这次电路设计中, 我们先计算电路参数, 然后利用multisim进行虚拟仿真, 在计算机调节各项参数, 直至设计出符合要求的电路, 并利用软件自带的仿真功能对电路进行分析, 直至得到设计出所要求的结果。由最后电路的测量分析结果可知, 经过multisim仿真出来的结果与理论分析的计算结果十分接近。
在本次课设中, 我们三人都得到了不少的成长, 不但在各自的动手能力和对课本知识的掌握中有了提高, 培养了对该课程的兴趣, 还培养了善于发现问题, 解决问题的好习惯。经过查阅相关资料, 咨询她人, 养成了良好的实验习惯和设计习惯。我们都相信, 经过这次的课设, 我们能够在各个方面都得到提高。

第六章 主要参考文献
[1]张国雄等编; 《测控电路》, 机械工业出版社, .8
[2]赵负图主编, 《现代传感器集成电路》, 人民邮电出版社, .1
[3]刘征宇主编, 《线性放大器应用手册》, 福建科学技术出版社, .1
[4]蔡锦福主编, 《运算放大器原理与应用》, 科学出版社, .7
[5]自编, 《测控电路设计型实验任务书》
[6]康华光, 《电子技术基础》, 高等教育出版社, 1988