電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)基于EDA軟件的帶通濾波器設(shè)計(jì)與仿真

1、西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書說(shuō)明書 成績(jī) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書課程設(shè)計(jì)名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目：基于eda軟件的帶通濾波器 設(shè)計(jì)與仿真 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 日期：2010年 7月 18 日1 前言1.1 mutisim multisim 是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于電路仿真與設(shè)計(jì)的eda軟件，又稱“虛擬電子工作臺(tái)” 。multisim 是在eba（electronics workbench）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，很大程度地增強(qiáng)了軟件的仿真測(cè)試和分析功能，大大地?cái)U(kuò)充了元件庫(kù)中的仿真元件數(shù)量，是仿真設(shè)計(jì)更精確、可靠在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，eda設(shè)計(jì)和

2、仿真是一個(gè)十分重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。眾多的eda設(shè)計(jì)和仿真軟件中，multisim 以其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用功能，在各高校電信類專業(yè)電子電路的仿真設(shè)計(jì)中得到了較廣泛的應(yīng)用。multisim 及其相關(guān)庫(kù)的應(yīng)用對(duì)提高科研人員和學(xué)生的仿真設(shè)計(jì)能力，更新設(shè)計(jì)理念有較大的幫助。multisim 軟件最突出的特點(diǎn)是用戶界面友好，各類器件和集成芯片豐富，尤其是其直觀的虛擬儀表是multisim的一大特色。multisim 所包含的虛擬儀表有：示波器、萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、波特圖圖示儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。而通常一個(gè)普通和實(shí)驗(yàn)室是無(wú)法提供這些設(shè)備的。這些以其的使用使仿真分析的操作更符合平

3、時(shí)實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣。本文以multisim 為仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用界面直觀的原理圖設(shè)計(jì)工具完成電路設(shè)計(jì)，贏使用提供的各種仿真一起深入分析帶通濾波器電路。1.2 濾波器的基本概念 濾波器（filter），是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。主要作用是：讓有用信號(hào)盡可能無(wú)衰減的通過(guò)，對(duì)無(wú)用信號(hào)盡可能大的衰減。濾波器一般有兩個(gè)端口，一個(gè)輸入信號(hào)、一個(gè)輸出信號(hào)。濾波器的分類：按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種，按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種，按所

4、通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，按濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。濾波器的設(shè)計(jì)：濾波器特性可以用其頻率響應(yīng)來(lái)描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等。用來(lái)說(shuō)明濾波器性能的技術(shù)指標(biāo)主要有：1.中心頻率f0，即工作頻帶的中心2.帶寬bw3.通帶衰減，即通帶內(nèi)的最大衰減 4.阻帶衰減對(duì)于實(shí)際濾波器而言，考慮到實(shí)際的組成元件的品質(zhì)因數(shù)的取值是一有限值（因?yàn)槭芟抻诓牧吓c工藝的水平），所以所有工程上的實(shí)用濾波器都是有損濾波器，因此對(duì)于這些濾波器還應(yīng)考慮通帶內(nèi)的最小插入衰減?，F(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)，多是采用濾波器變換的方法加以實(shí)現(xiàn)。主要

5、是通過(guò)對(duì)低通原型濾波器進(jìn)行頻率變換與阻抗變換，來(lái)得到新的目標(biāo)濾波器。1.3 帶通濾波器的基本原理 帶通濾波器（band-pass filter）是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。比如rlc振蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器。 一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有平穩(wěn)的通帶（bandpass,允許通過(guò)的頻帶），同時(shí)限制所有通帶外頻率的波通過(guò)。但是實(shí)際上，沒(méi)有真正意義的理想帶通濾波器。真實(shí)的濾波器無(wú)法完全過(guò)濾掉所設(shè)計(jì)的通帶之外的頻率的波。事實(shí)上，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過(guò)濾，這一曲線被稱做滾降斜率(roll-off)。滾降斜率通常用db度量來(lái)表示頻率的衰減程度。一般情況下，

6、濾波器的設(shè)計(jì)就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美通帶的設(shè)計(jì)。1.4濾波器的設(shè)計(jì)方法 濾波電路是頻率選擇電路，只允許頻帶內(nèi)頻率的信號(hào)通過(guò)，則按通帶區(qū)分，濾波器又可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種。由于高通、帶通和帶阻濾波器的傳遞函數(shù)都能經(jīng)過(guò)頻率變換從低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)求得，所以我們把低通濾波器稱為原型低通濾波器。不論涉及任何濾波器，我們都是先把該種濾波器的技術(shù)要求轉(zhuǎn)變到相應(yīng)的低通濾波器的技術(shù)要求，然后設(shè)計(jì)低通濾波器得到轉(zhuǎn)移函數(shù)，最后再經(jīng)過(guò)頻率變化把低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)換到所求的濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。涉及濾波器的任務(wù)是力求向理想特性逼近。2總體方案設(shè)計(jì)2.1方案比較方案

7、1 ：無(wú)源帶通濾波器 圖（1）無(wú)源帶通濾波器電路電路構(gòu)成：主要由電阻電容構(gòu)成。 方案2 ：有源帶通濾波器 有源濾波器可以根據(jù)階數(shù)不同分，但是總體框圖如下所示：非線性負(fù)載電源 接口電感 或變壓器 開(kāi)關(guān)模式 功率輸出 系統(tǒng)參量 接口 檢測(cè)單元 選通信號(hào) 發(fā)生器 補(bǔ)償 變量 控制信號(hào) 中央控制 參考量 參考量 單元 估算單元 圖（2）有源濾波器的基本框圖電路構(gòu)成：主要由電源、電阻電容以及運(yùn)算放大器這三個(gè)部分構(gòu)成。 （圖3） 二階有源帶通濾波器電路 高通低通串聯(lián) （圖4）帶通濾波器框圖圖3所示為二階有源帶通濾波器，而圖4所示為有源低通和高通直接串聯(lián)所得。雖然都是帶通濾波器，但是他們的影響因數(shù)卻大有不同

8、。2.2 方案論證 無(wú)源濾波器：僅由無(wú)源元件(r、l 和c)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感l(wèi)較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。有源濾波器：由無(wú)源元件(一般用r和c)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(

9、由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。而在有源濾波器的圖三二階帶通和圖四的由低通和高通直接串聯(lián)進(jìn)行比較，對(duì)于參數(shù)的影響圖四的更有利。但是，無(wú)源濾波電路只是由電阻、電感、電容組成，無(wú)源濾波電路的應(yīng)用受到許多限制；有源濾波電路是使用了理想運(yùn)算放大器的濾波電路，相比無(wú)源濾波器有很多優(yōu) 點(diǎn)，例如有源濾波器不用電感就能形成帶通和帶阻濾波器，因電感通常較為笨重，且磁場(chǎng)會(huì)影響期望的頻率響應(yīng)特性；再者無(wú)源濾波器沒(méi)有放大的能力，而有源濾波 器能對(duì)幅值進(jìn)行控制放大；最后，無(wú)源濾波器的截止頻率和通帶

10、幅值有負(fù)載效應(yīng)，但有源濾波器克服了這個(gè)缺陷。而且，無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)也是非常明顯的：1）因?yàn)橐话愣际菫V除次數(shù)較低的諧波，要求元件的參數(shù)較大，較笨重；2）電源的阻抗特性會(huì)直接影響到濾波器的補(bǔ)償特性，為了達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，通常需要對(duì)所補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算并實(shí)際測(cè)量，專門進(jìn)行設(shè)計(jì)才能達(dá)到；3）系統(tǒng)頻率偏移會(huì)嚴(yán)重影響濾波特性，若想在較寬的系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)都能達(dá)到滿意的效果，則要用較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將會(huì)異常復(fù)雜和龐大；4）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要充分考慮諧振問(wèn)題，避免造成系統(tǒng)損壞。當(dāng)無(wú)源濾波器的使用受到上述問(wèn)題制約時(shí)，有源濾波器便顯示出了它的優(yōu)勢(shì)。2.3方案選擇基于以上的方案比較以及方案論證和我們組的具體情況，我

11、們決定采取更具有優(yōu)勢(shì)的第二種方案，即設(shè)計(jì)一個(gè)有源帶通濾波器電路。具體的有源帶通濾波電路的參數(shù)如下。要求：1）信號(hào)通過(guò)頻率范圍f在100hz至10khz；2）濾波電路在1khz的幅頻響應(yīng)必須在1db范圍內(nèi)，而在100hz至10khz濾波電路的幅頻衰減應(yīng)當(dāng)在1khz時(shí)值的3db范圍內(nèi)；3）在10hz時(shí)幅頻衰減應(yīng)為26db，而在100khz時(shí)幅頻衰減應(yīng)至少為16db。分析：這是一個(gè)通帶頻率范圍約為100hz10khz的帶通濾波電路，在通帶內(nèi)我們?cè)O(shè)計(jì)為單位增益。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路要求，在頻率低端f=10hz時(shí)，幅頻響應(yīng)至少衰減26db,在頻率高端f=100khz時(shí)，幅頻響應(yīng)要求衰減不少于16db。因此可

12、以選擇一個(gè)二階低通濾波電路的截止頻率fh=10khz，一個(gè)二階高通濾波電路的截止頻率fl=100hz，有源器件采用運(yùn)放cf4129(lf412)，將這兩個(gè)濾波電路串聯(lián)起來(lái)就構(gòu)成了所要求的帶通濾波電路。3.單元模塊電路設(shè)計(jì)3.1低通模塊 圖（3） 二階有源低通濾波電路 圖中，r1=r2 =r ，c1=c2=c ，rf = r4 =(avf -1)r3 , 此電路是有兩節(jié)rc濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。而同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即 a0 = avf= 1+(avf -1) r1/ r1。 對(duì)于低通濾波電路，其理想的幅頻響應(yīng)如下圖所

13、示，圖中a0表示低頻增益，|a|為增益的幅值。由圖可知，它的功能是通過(guò)從零到某一截止角頻率h 的低頻信號(hào)，對(duì)大于h的所有頻率則給予衰減，因此其帶寬bw =h/2。 |a| a0 通帶 阻帶 0 l 圖（4） 低通濾波電路理想的幅頻響應(yīng)3.2 高通模塊 圖（5） 二階有源高通濾波電路 圖中，r1=r2 =r ，c1=c2=c ，rf = r4 =(avf -1)r3。將二階有源低通濾波電路中的r和c位置互換，則得到此有源高通濾波電路。對(duì)于高通濾波器，其理想的幅頻響應(yīng)如下圖所示。由圖可以看到，在0l 范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于l的頻率為通帶。從理論上來(lái)說(shuō)，它的寬帶，但實(shí)際上，由于受有源器件和外接元件

14、以及雜散參數(shù)的影響，寬帶受到限制，高通濾波的寬帶也是有限的。 |a| a0 . 阻帶 通帶 0 l 圖（6） 高通濾波電路理想的幅頻響應(yīng)3.3 帶通模塊 |a| 低通 0 h |a| 高通 0 l |a|高通低通 vi vo 帶通 （a） 0 l （b） 圖（7） 帶通濾波電路構(gòu)成示意圖 （a）原理框圖 （b）理想的幅頻響應(yīng) 圖（8） 帶通濾波器電路此電路為由低通和高通兩級(jí)串聯(lián)的帶通濾波電路。1）對(duì)電路的基本分析：根據(jù)題目的要求，經(jīng)過(guò)分析我們可以用一個(gè)二階低通濾波電路的截止頻率fh=10khz，一個(gè)二階高通濾波電路的截止頻率fl=100hz，有源器件采用運(yùn)放cf4129(lf412)，將這兩個(gè)

15、濾波電路串聯(lián)如圖（8）所示，就構(gòu)成了所要求的帶通濾波電路。經(jīng)查資料我們找到了二階巴特沃思濾波器的avf1=1.586，因此，由兩級(jí)串聯(lián)的帶通濾波電路的通帶電壓增益avf1=（1.586）2.515，由于所需要的帶通增益為0db，因此在低通濾波器輸入部分加入了一個(gè)由電阻r1、r2組成的分壓器。2）元件的參數(shù)選擇和計(jì)算：在選用元件時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮由于元件參數(shù)值誤差對(duì)傳遞函數(shù)存在影響。現(xiàn)規(guī)定選擇電阻值的容差為1%，電容值的容差為5%。由于每一電路包含若干個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器，預(yù)計(jì)實(shí)際截止頻率可能存在較大的誤差（也許是10%）。為確保在100hz和10khz處的衰減不大于3db。現(xiàn)以額定截止頻率90hz和

16、11khz進(jìn)行設(shè)計(jì)。在運(yùn)放電路中的電阻不宜選擇過(guò)大或過(guò)小。一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此，選擇低通級(jí)電路的電容值為1000pf，高通級(jí)電路的電容值為0.1uf。由算得r3=14.47k，現(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值r3=14k。對(duì)于高通級(jí)可作同樣的計(jì)算。由于已知c=0.1uf和fl=90hz，可求得r7=r818k?？紤]到已知avf1=1.568，同時(shí)盡量要使運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端對(duì)地的直流電阻基本相等，現(xiàn)選擇r5=68k,r10=82k,由此可計(jì)算出r4=（avf1-1）r539.8k,r9=（avf1-1）r1048k，其容差為1%。設(shè)計(jì)完成的電路如圖（8）。信號(hào)源vi通過(guò)r1和r2進(jìn)行衰減，

17、它的戴維寧電阻是r1和r2的并聯(lián)值，這個(gè)電阻應(yīng)當(dāng)?shù)扔诘屯?jí)電阻r3（=14k）。因此有=14k（公式1）。由于整個(gè)濾波電路通帶增益是電壓分壓器比值和濾波器部分增益的乘積，且應(yīng)等于單位增益，故有（公式2），聯(lián)解公式1和公式2，并選擇容差為1%的額定電阻值，得r1=35.7k和r2=23.2k。3.4 電源模塊 vi 整流 濾波 穩(wěn)壓 v0 圖（9） 電源框圖 圖（10） 電源電路圖在整流電路之前我們需要用到變壓器將電網(wǎng)供給的220v電壓變成整流電路所需要的交流電壓。由整流電路將交流電壓變換成單方向脈動(dòng)的直流電壓，再濾波電路濾去整流輸出電壓中的紋波，最后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路得到我們所需要的5v電壓。在穩(wěn)壓

18、電路中我們采用了集成器件7805和7905。4系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)我們所選擇的設(shè)計(jì)方案，將設(shè)計(jì)的原理電路圖進(jìn)行仿真，在運(yùn)放電路中的電阻不宜選擇過(guò)大或者太小，一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此，選擇低通級(jí)電路的電容值為1000pf，高通級(jí)電路的電容值為0.1uf。然后又式 ，可以計(jì)算出精確的電阻值。對(duì)于低通級(jí)，由于已知c=1000pf和 =11khz ，由于算得=14.47k現(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值=14.0k。對(duì)于高通級(jí)也做同樣的計(jì)算。由于已知c=0.1uf和=90hz，可求得。考慮到已知,同時(shí)盡量要使運(yùn)放同向輸入端和反向輸入端對(duì)地的直流電阻基本相等，現(xiàn)選擇。由此可以計(jì)算出，其容差為1。設(shè)計(jì)完成的仿真圖如圖

19、11所示，信號(hào)源通過(guò)進(jìn)行衰減，它的戴維寧電阻是的并聯(lián)值，這個(gè)應(yīng)當(dāng)?shù)扔诘屯?jí)電阻。因此，有=14k 由于整個(gè)濾波電路通帶增益是電壓分壓器比值和濾波器部分增益的乘積，且應(yīng)等于單位增益，故有， 聯(lián)解上面兩式，并選擇容差為1的額定電阻值，得。由此可以得到所有電阻和電容參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果帶入可以得到如下仿真圖： 圖（11）根據(jù)仿真圖可以看出，這些元件的參數(shù)搭配所得帶通不滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，該圖在100hz、10hz和100khz時(shí)的的幅頻衰減都大于了我們的要求，由此可以推斷出，在高通和低通部分的參數(shù)選擇不合理，根據(jù)高通和低通的原理，現(xiàn)在將高通和低通部分的參數(shù)進(jìn)行修改以便能夠滿足要求。 （圖12） 根據(jù)修

20、改參數(shù)后的仿真圖可以看出，現(xiàn)在的圖達(dá)到了我們所要設(shè)計(jì)的帶通寬度，同時(shí)在10hz時(shí)幅頻衰減為26d b ,但是該圖在100khz時(shí)的衰減大于了16d b,說(shuō)明在修改的低頻參數(shù)的電阻、電容值的搭配還不完全合理，應(yīng)該使得低通的衰減速度慢些。以此為改變參數(shù)的依據(jù)來(lái)調(diào)整r、c的大小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和調(diào)整結(jié)果，可得到我們所要設(shè)計(jì)的電路仿真圖，如下所示： 圖（13） 5設(shè)計(jì)總結(jié) 在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，在陳海川老師的指導(dǎo)幫助下才順利的完成了本次課程設(shè)計(jì)，在此表示衷心的感謝。本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)以及電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的高度總結(jié)與應(yīng)用，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，這些問(wèn)

21、題都是該在學(xué)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，但是從來(lái)也沒(méi)有想過(guò)這些問(wèn)題，直到真正需要將理論所學(xué)的應(yīng)用在實(shí)踐中的時(shí)候，才明白了對(duì)于技術(shù)這樣一門課程，實(shí)踐是多么的重要，而且理論上的東西大多的理想化的，就像我們這次的課程設(shè)計(jì)一樣，在根據(jù)理論的原理和公式來(lái)計(jì)算電阻、電容值的時(shí)候，原本以為這樣計(jì)算出來(lái)就能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)了，沒(méi)想到，按照計(jì)算的數(shù)值一點(diǎn)不差的帶入元件參數(shù)，仿真出來(lái)的結(jié)果卻出乎了自己的意料，這下不知所措了，也不知道是自己哪里算錯(cuò)了，還是自己的思維就錯(cuò)了，公式用錯(cuò)了，想來(lái)想去也想不明白，而且感覺(jué)心里特別不舒服，去問(wèn)問(wèn)懂的同學(xué)吧！這下好了，問(wèn)的結(jié)果很意外，他說(shuō)：“書上很多都是不被實(shí)踐所證明的，在理論設(shè)計(jì)和計(jì)算的過(guò)程中，根本沒(méi)有考慮到元件之間的影響和元件本身存在的精度誤差這一切的小影響都會(huì)換來(lái)結(jié)果上的差異，你可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)在仿真圖所存在的差異來(lái)修改不滿足部分的元件參數(shù)，從新找到要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而在實(shí)際電路中電阻和電容的最佳匹配參數(shù)?！甭?tīng)到這樣的話，感覺(jué)真是不錯(cuò)，接下來(lái)在不斷修改參數(shù)，不斷得帶越來(lái)越接近自己設(shè)計(jì)要求的波形時(shí)，好有成就感，自己做出了一個(gè)東西，不是理論的而是實(shí)實(shí)在在的。但是，頭腦里同時(shí)也思考著這樣一個(gè)問(wèn)題：雖然理論是實(shí)踐的基礎(chǔ)，但是我們現(xiàn)在所學(xué)的東西全是理論上的，到底有多少能夠在實(shí)踐中完全成立呢？想到這些