多級(jí)RC積分電路的幅頻特性研究畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)多級(jí)rc積分電路的幅頻特性研究目錄1.引言22.濾波器的工作原理33.系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)43.1采用的軟件及開(kāi)發(fā)平臺(tái)44. 需求分析54.1 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境要求55.多級(jí)rc積分電路的研究65.1一階rc積分電路65.2 一階rc高通濾波電路86.matlab程序代碼和仿真模擬136.1一階低通136.2一階高通136.3二階低通146.4二階高通146.5 二階帶通濾波器156.6二階帶阻濾波器157. 總結(jié)23參考文獻(xiàn)24多級(jí)rc積分電路的幅頻特性研究黃正洋，電子信息系摘 要：在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛，濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，濾波器的研究和生

2、產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。我國(guó)現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無(wú)源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來(lái)越高，功能也越來(lái)越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。利用matlab仿真各種濾波電路的波形，可以直觀觀察波形和測(cè)量rc幅頻特性。關(guān)鍵詞：濾波器、幅頻、相頻multistage rc integral circuit amplitude frequency characteristics of the studyh

3、uangzhengyang，department of electronic informationabstract：in modern telecommunication equipment and various types of control system,the filter application is extremely extensive, so the filter directly determines the quality of product, the research and production of filter , countries has been pai

4、d much attention to the filter.types of filter and the frequency they are covered has been basically meet the existing telecommunications equipment in our country.on the whole, our active filters development is slowly than passive filter,not mass production and application.with the development of el

5、ectronic industry,the requirements and features of the filter gap,electronic engineering and technical personnel has great historic responsibility.by using matlab simulation filter circuit waveforms,can directly observe waveform and amplitude frequency characteristic measurement rc.key words：wave fi

6、lter ;the amplitude frequency; phase frequency1.引言濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路。隨著電子市場(chǎng)的不斷發(fā)展上海上恒電子公司濾波器也越來(lái)越被廣泛生產(chǎn)和使用，是國(guó)內(nèi)著名的電源濾波器制造商, 公司是集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售于一體的實(shí)業(yè)公司濾波器（filter）是指減少或消除諧波對(duì)電力系統(tǒng)影響的電氣部件。上恒電子濾波器是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)濾波而得到純凈的電源。濾波器主要分為有源濾波器和無(wú)源濾波器。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)盡可能大的反射。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)，利用這個(gè)特性可

7、以選通通過(guò)濾波器的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，而得到一個(gè)特定頻率的正弦波。濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。 濾波器中，把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；rc濾波器是由電阻和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的rc濾波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電阻構(gòu)成。rc濾波器，顧名思義，是對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾的器件。“波”是一個(gè)非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被狹義地局

8、限于特指描述各種物理量的取值隨時(shí)間起伏變化的過(guò)程。該過(guò)程通過(guò)各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，稱之為各種物理量的時(shí)間波形，或者稱之為信號(hào)。因?yàn)樽宰兞繒r(shí)間是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(hào)(analog signal)。隨著數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)(一般簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī))技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換成李三時(shí)間信號(hào)的完整的理論和方法。也就是說(shuō)，可以只用原模擬信號(hào)在一系列離散時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)上的樣本值表達(dá)原始信號(hào)而不丟失任何信息，波、波形、信號(hào)這些概念既然表達(dá)的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的

9、各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號(hào)的傳遞。信號(hào)在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時(shí)，甚至是在相當(dāng)多的情況下，這種畸變還很嚴(yán)重，以致于信號(hào)及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過(guò)程。2.濾波器的工作原理濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。 廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）都可視為是一種濾波器。因?yàn)?，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳

10、輸特性。因此，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。 3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 3.1采用的軟件及開(kāi)發(fā)平臺(tái) 3.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是matlab數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 3.1.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)和編程環(huán)境 matlab由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用matla

11、b的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，matlab的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的matlab提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。matlab一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο?/p>

12、編程特點(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（m文件）后再一起運(yùn)行。新版本的matlab語(yǔ)言是基于最為流行的c語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與c語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是matlab能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。matlab自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖

13、。新版本的matlab對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），matlab 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，matlab也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。4. 需求分析4.1 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境要求4.1.1硬件要求1 486/dx66mhz以上cpu2 內(nèi)存16m以上(使用windows nt需要32m以上內(nèi)存)3 硬盤(pán)容量1gb以上(典型安裝需要1

14、28mb硬盤(pán)空間,完全安裝須要147mb硬盤(pán)空間,外加microsoft開(kāi)發(fā)者文檔67mb硬盤(pán)空間)4 vga以上分辨率的顯示器.5 一個(gè)cd-rom驅(qū)動(dòng)器6 鼠標(biāo)、打印機(jī)4.1.2軟件要求1. 操作系統(tǒng)應(yīng)使用microsoft windows xp系統(tǒng)。2. 安裝有matlab軟件。本系統(tǒng)在性能上應(yīng)達(dá)到如下要求：1)系統(tǒng)軟件運(yùn)行應(yīng)該速度快、穩(wěn)定、可靠，具有很高的健壯性和容錯(cuò)、糾錯(cuò)能力；2)系統(tǒng)軟件操作上應(yīng)簡(jiǎn)單、方便，界面簡(jiǎn)潔明了、美觀；3)系統(tǒng)軟件應(yīng)能具有較高的安全性，對(duì)內(nèi)對(duì)外都有嚴(yán)格的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)保密的措施；4)系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有很好的可擴(kuò)展性，便于將來(lái)的功能擴(kuò)展和維護(hù)數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確無(wú)

15、誤，精確度符合業(yè)務(wù)的需要。27 5.多級(jí)rc積分電路的研究5.1一階rc積分電路5.1.1 一階rc低通濾波電路 圖11(a)所示rc串聯(lián)電路，其負(fù)載端開(kāi)路時(shí)電容電壓對(duì)輸入電壓的轉(zhuǎn)移電壓比為圖 11(a)令：將上式改寫(xiě)為：其中：（12） （13）根據(jù)式（12）和（13）畫(huà)出的幅頻和相頻特性曲線，如圖14（b）和（c）所示。曲線表明圖14（a）電路具有低通濾波特性和相移特性，相移范圍為到。圖14 為了表示頻率在極大范圍內(nèi)變化時(shí)電路特性的變化，可以用對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)畫(huà)幅頻和相頻特性曲線。常畫(huà)出20lg和相對(duì)于對(duì)數(shù)頻率坐標(biāo)的特性曲線，這種圖形稱為波特圖。橫坐標(biāo)采用相對(duì)頻率，使曲線具有一定的通用性。幅頻a0

16、.010.10.7071210100100020lga/db-40-20-3.006.0204060特性曲線的縱坐標(biāo)采用分貝（db)作為單位。與20lg（db)之間關(guān)系如圖15所示：圖 15由式（12）和（13）畫(huà)出波特圖如下圖所示，并和圖14比較：采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)畫(huà)頻率特性的另一個(gè)好處是可用折線來(lái)近似。，當(dāng)時(shí)，是平行橫坐標(biāo)的直線。當(dāng)時(shí)，則是斜率與-20db/十倍頻成比例的一條直線。兩條直線交點(diǎn)的坐標(biāo)為（1,0db），對(duì)應(yīng)的頻率稱為轉(zhuǎn)折頻率。當(dāng)時(shí)，,常用振幅從最大值下降到3db的頻率來(lái)定義濾波電路的通頻帶寬度（簡(jiǎn)稱帶寬）。5.2 一階rc高通濾波電路 對(duì)圖（2）所示rc串聯(lián)電路，電阻電壓對(duì)輸入電壓

17、的轉(zhuǎn)移電壓比為：令：將上式改寫(xiě)為：，則, ，。波特圖如下圖所示：圖 21曲線表明圖21（a)電路具有高通濾波特性。由此可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)，曲線近乎一條平行于橫坐標(biāo)的直線，當(dāng)時(shí)，曲線近乎一條直線，其斜率與20db/十倍頻成比例。以上兩條直線的坐標(biāo)為（1,0db），對(duì)應(yīng)的頻率稱為轉(zhuǎn)折頻率。當(dāng)時(shí)，此高通濾波電路的帶寬從到。從圖c可見(jiàn)，該高通濾波電路的相移角度從到之間變化，當(dāng)時(shí)，。5.3 二階rc積分電路幅頻特性研究5.3.1 二階rc濾波電路圖23（a)所示電路的相量模型如圖23（b）所示。為求負(fù)載端開(kāi)路時(shí)轉(zhuǎn)移電壓比，可外加電壓源，列出結(jié)點(diǎn)3和結(jié)點(diǎn)2的方程：圖23 得到，和 消去，求得，,其中，該電路的幅頻

18、和相頻特性曲線，如圖所示。幅頻曲線表明該網(wǎng)絡(luò)具有低通濾波特性，上圖所示相頻特性表明該網(wǎng)絡(luò)的移相角度在為0到之間變化，當(dāng)時(shí)，。幅頻曲線的其轉(zhuǎn)折角頻率為用類似方法求出1211（a）電路的轉(zhuǎn)移電壓比為：,其幅頻特性曲線如圖1211（b）所示。 該網(wǎng)絡(luò)具有高通濾波特性，其轉(zhuǎn)折頻率的公式為：。該網(wǎng)絡(luò)的移相范圍為到。當(dāng)時(shí)，。與一階rc濾波電路相比，二階rc濾波電路對(duì)通頻帶外信號(hào)的抑制能力更強(qiáng)，濾波效果更好。二階rc電路移相范圍為，比一節(jié)電路移相范圍更大。二階rc濾波電路不僅能實(shí)現(xiàn)低通和高通濾波特性，還可實(shí)現(xiàn)帶通濾波特性。圖 12-11圖 12-12圖1212（a）電路負(fù)載端開(kāi)路時(shí)的轉(zhuǎn)移電壓比為：其幅頻和相

19、頻特性曲線如圖1212（b）和（c）所示。該網(wǎng)絡(luò)具有帶通濾波特性，其中心頻率。當(dāng)時(shí)，。該網(wǎng)絡(luò)的移相范圍為到。rc濾波電路所實(shí)現(xiàn)的頻率特性，也可由相應(yīng)的rl電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在低頻率應(yīng)用的條件下，由于電容器比電感器價(jià)格低廉、性能更好，并有一系列量值的各類電容器可供選用，rc濾波器得到了更廣泛的應(yīng)用。6.matlab程序代碼和仿真模擬6.1一階低通syms w tr=1000;c=1;c=c/1000000 %rc參數(shù)（電容以u(píng)f計(jì)）wc=1/r*c %一階特征頻率k=input(輸入正弦信號(hào)頻率：) %輸入信號(hào)頻率0.1h=1/(1+j*w*r*c); %一階低通濾波器頻域上的函數(shù)x=sin(k*t)

20、; x=fourier(x); %傅里葉變換y=x*h; y=ifourier(y) %頻域上函數(shù)相乘后作傅里葉逆變換為時(shí)域上的輸出信號(hào)h1=1/(1+w*w*r*r*c*c)0.5;figure(1),ezplot(y,-0.1,0.1)figure(2),ezplot(h1,0,100*pi) %繪制輸出信號(hào)和相應(yīng)頻譜圖6.2一階高通syms x wk=input(輸入正弦信號(hào)頻率：) %輸入信號(hào)頻率0.1r=1000;c=0.000001;f=fourier(sin(k*x); %傅里葉變換h=j*w*r*c/(1+j*w*r*c); %一階低通濾波器頻域上的函數(shù)h1=w*r*c/(1+

21、w*w*r*r*c*c)0.5; %h（jw）的模f=h*f;f1=ifourier(f);wc=1/r*c %一階特征頻率figure(1),ezplot(f1,-pi,pi)figure(2),ezplot(h1,0,500*pi) %繪制輸出信號(hào)和相應(yīng)頻譜圖6.3二階低通syms x wk=input(輸入正弦信號(hào)頻率：) %輸入信號(hào)頻率0.1r=1000;c=0.000001;f=fourier(sin(k*x)+cos(100*x);h=-(w*r*c)2)/(1-w*w*r*r*c*c)2+j*3*w*r*c); %二階低通濾波器頻域上的函數(shù) h（jw）h1=(w*r*c)2)/(

22、1+w*w*r*r*c*c)2+9*w*w*r*r*c*c)0.5); % h（jw）的模f=h*f;f1=ifourier(f);fc=2.6724/2*pi*r*c; %二階高通信號(hào)特征頻率figure(1),ezplot(f1,-0.01*pi,0.01*pi)figure(2),ezplot(h1,0,1000*pi) %繪制輸出信號(hào)和相應(yīng)頻譜圖6.4二階高通syms x wk=input(輸入正弦信號(hào)頻率：) %輸入信號(hào)頻率0.1f=fourier(sin(k*x)h=1/(1-w*w*r*r*c*c)2+3*j*w*r*c) %二階高通濾波器頻域上的函數(shù) h（jw）h1=1/(1-

23、w*w*r*r*c*c)2+9*w*w*r*r*c*c)0.5); % h（jw）的模f=h*ff1=ifourier(f)figure(1),ezplot(f1,-pi,pi)figure(2),ezplot(h1,0,1000*pi) %繪制輸出和相頻圖6.5 二階帶通濾波器syms x wk=input(輸入正弦信號(hào)頻率：) %輸入信號(hào)頻率0.1r=1000; %r c參數(shù)確定c=0.000001;f=fourier(sin(k*x); %輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，f為輸入信號(hào)的逆變換h=j*w*r*c/(1-w*w*r*r*c*c+j*3*w*r*c); %rc二階帶通轉(zhuǎn)移函數(shù)h1=w*r*

24、c/(1-w*w*r*r*c*c)2+9*w*w*r*r*c*c)2; %轉(zhuǎn)移函數(shù)的模f=h*f;f1=ifourier(f); %傅里葉逆變換figure(1),ezplot(f1,-pi,pi)figure(2),ezplot(h1,0,500*pi) %繪制濾波后的函數(shù)和幅頻圖6.6二階帶阻濾波器syms x w;k=input(輸入正弦信號(hào)頻率：) %輸入信號(hào)頻率0.1r=1000;c=0.000001;f=fourier(sin(k*x);h=-(w*r*c)2)/(1-w*w*r*r*c*c)2+j*3*w*r*c);h1=1/(1+w*w*r*r*c*c)2+9*w*w*r*r*c*c)0.5)+(w*r*c)2)/(1+w*w*r*r*c*c)2+9*w*w*r*r*c*c)0.5); %（h（jw）的模）%rc帶阻濾波器輸出為rc高通，低通的信號(hào)求和,故此處的轉(zhuǎn)移函數(shù)為二者之和f=h*f;f1=ifourier(f);figure(1),ezplot(f1,-2*pi,2*pi)figure(2),ezplot(h1,0,1000*pi) %輸出濾波后的正弦信號(hào)和頻譜圖rc一階低通仿真圖：rc一階高通仿真圖：rc二階低通仿真圖：rc二階高通仿真圖：rc二階帶通濾波器：rc二階帶阻濾波器：7. 總結(jié)rc電路在電子電路中作為信號(hào)的一種傳輸電路，根據(jù)需要的不同