廣工測控電路課程設(shè)計有源濾波器

1、測控電路課 程 設(shè) 計 題目名稱有源濾波器設(shè)計學(xué) 院信息工程學(xué)院專業(yè)班級測控技術(shù)與儀器專業(yè)計算機(jī)測控方向13（ 1 ）班姓 名黎均學(xué) 號3113002300目錄摘要2一、設(shè)計任務(wù)3一、設(shè)計原理分析31、正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析。32、計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)63、利用matlab繪制濾波器幅頻曲線和相頻曲線。8二、電路仿真9三、改進(jìn)后的實際電路圖12四、產(chǎn)品實物圖及實驗結(jié)果14五、實驗結(jié)果分析15六、心得體會16七、參考文獻(xiàn)17八、附錄17 摘要在主要學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、測控電路與信號分析與調(diào)節(jié)的專業(yè)基礎(chǔ)上，針對測控電路課程設(shè)計要求，設(shè)計正弦波波形產(chǎn)生電路和有源濾

2、波器，帶通濾波器，是有選擇性傳輸特定頻率范圍內(nèi)信號的電路稱為濾波器，其功能是：允許規(guī)定頻率范圍內(nèi)的有用信號通過，不允許規(guī)定之外的干擾信號通過其中主要包括兩個電路結(jié)構(gòu)，為一個1500Hz正弦波產(chǎn)生電路與一個壓控電壓源二階帶通濾波器，其中壓控電壓源二階帶通濾波器設(shè)計指標(biāo)要求為：通帶中心頻率Hz；通帶電壓放大倍數(shù)；通帶帶寬=100Hz的帶通濾波器，選擇有源壓控電壓源二階濾波器快速設(shè)計法為設(shè)計方案，并通過有關(guān)電路知識計算出該方案所需要的電阻、電容、運算放大器參數(shù)，然后通過proteus軟件仿真并焊制電路板，從而實現(xiàn)對所選的電路設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)試，驗證方案的正確性，最后將實際設(shè)計制作出的濾波器與仿真得到的

3、模擬濾波器進(jìn)行波形比較、分析誤差產(chǎn)生的原因。關(guān)鍵字： 有源壓控電壓源 帶通濾波器 文氏正弦震蕩電路 proteus仿真 一、 設(shè)計任務(wù)一、課程設(shè)計的內(nèi)容 1、（1）正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析； （2）分析正弦波產(chǎn)生電路中w2的作用；（3）計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)；2、電路仿真根據(jù)有緣濾波器電路工作原理，選用相應(yīng)軟件實現(xiàn)電路的仿真，并畫出電路各點的信號波形，觀測有源濾波器隨著輸入信號頻率的變化，有緣濾波器輸出信號的變化。 3、使用proteus繪制電路原理圖，布局pcb板，使用電烙鐵制作電路板，根據(jù)系統(tǒng)原理圖及所選擇的元件及參數(shù)，購買相應(yīng)元器件，完成電路板焊接、調(diào)試。二

4、、課程設(shè)計的要求及數(shù)據(jù)1、完成二階帶通濾波器電路的分析與制作2、討論與分析，制作與調(diào)試，演示與答辯，提交設(shè)計報告三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作 1、電路原理圖設(shè)計； 2、電路工作原理設(shè)計； 3、電路參數(shù)計算與分析； 4、電路原理仿真； 5、電路制作、調(diào)試； 6、撰寫設(shè)計報告； 7、實物演示與答辯。 二、設(shè)計原理分析1、正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析 文氏橋正弦波振蕩電路能產(chǎn)生振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍寬、波形好的正弦波，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)。文氏橋正弦波振蕩由文氏電橋與一個集成運放lm384組成的同相放大電路組成，如圖1所示。文氏電橋的兩個臂RC串一并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，另外兩個臂由放大電路的反饋電阻構(gòu)成。令

5、R1=R2=R，C1=C2=C，R3+R4=Rf，根據(jù)文氏橋正弦波振蕩電路的振蕩條件，可以推出放大電路的電壓增益Av=1+RfR53，即Rf2R5文氏橋正弦波振蕩電路的理論振蕩頻率為f0=1(2RC)。由于電源電壓的波動、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，使正弦波的輸出幅度不穩(wěn)定。這里采用二極管來穩(wěn)幅和加速起振。圖1 文氏電橋正弦產(chǎn)生電路原理圖2、 RC有源帶通濾波器的的工作原理 RC有源濾波總框圖  RC網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器原理子框的作用1.RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容

6、組成。2.放大器的作用電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益RVF=1+R5/R4同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。3.反饋網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出信號的一部分或全部通過反饋電路影響輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。 帶通濾波器 一個理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有放大或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降

7、現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來表示。通常，濾波器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值3、計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)(a)相關(guān)公式壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖2所示，電路的傳輸函數(shù)為： 上式中： 是帶通濾波器的中心角頻率。、分別為帶通濾波器的高、低截止角頻率。 中心角頻率： ， 中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)

8、：上式中： 通帶帶寬： 或 ; （b）參數(shù)計算有， 取R4和R5為47k，C1=C2=10nF,則=2。根據(jù)設(shè)計要求，Q=15，=2，=1500hz。代入計算公式得出R1=159K，R2=7.5K,R3=15K。（c）元器件的指標(biāo)本次實驗使用的是LM358芯片LM358雙運放簡介  LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合，應(yīng)用很廣。  &

9、#160;    LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。 LM358主要特性如下：1、內(nèi)部頻率補(bǔ)償  2、 直流電壓增益高(約100dB)  3、單位增益頻帶寬(約1MHz)  4、3、 電源電壓范圍寬： 單電源(330V)； 雙電源(±1.5一±15V)  5、低功耗電流，適合于電池供電  6、低輸入偏流  7、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流  8、共模輸入

10、電壓范圍寬，包括接地  9、差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍  10、輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)3、利用matlab繪制濾波器幅頻曲線和相頻曲線。根據(jù)matlab繪制的濾波器幅頻曲線和相頻曲線如圖3所示。圖3 濾波器系統(tǒng)幅頻和相頻曲線2、 電路仿真a.我們此次設(shè)計采用proteus仿真軟件對電路功能進(jìn)行仿真。仿真原理圖如下圖4所示。圖4 proteus仿真原理圖正弦震蕩電路仿真中心頻率出濾波器波形截止頻率處濾波器波形b.在確定好了電路、計算出元器件，仿真正確之后，首先對電路進(jìn)行整體布局，電路焊接步驟大致如下：1.需要進(jìn)行整體布局的構(gòu)思，使

11、元器件分布合理、整體美觀；2.遵循先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等原則；3.布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；4.最好分模塊安裝。此外焊接時不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因為有些器件，不能耐高溫，電烙鐵不能停留太久。 焊接好實驗電路后，開始進(jìn)行實驗調(diào)試。仔細(xì)檢查安裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，然后接通電源調(diào)試。然后在電路的輸入端加入正弦信號，慢慢改變輸入信號的頻率（注意保持輸入信號的值不變） 若沒有濾波特性，應(yīng)檢查電路，根據(jù)產(chǎn)生的問題，加上對原理圖的分析，首先找到可能出錯的地方，前期調(diào)試實驗過程中發(fā)現(xiàn)，波形不穩(wěn)定，則可能是由于

12、芯片接的電源，因為其幅值是從截止頻率起始的，波動非常大，加入足夠容量的電容進(jìn)行濾波后，因電容的充放電效應(yīng)，該脈動直流就會變成紋波不大的直流電。還有可能因為示波器或函數(shù)信號發(fā)生器本身的原因，此時可以用排除法，這樣調(diào)試的時候可以分塊檢查，排除到最后就是錯誤所在。 若電路具有濾波特性，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試。對于低通和高通濾波器應(yīng)觀測其截止頻率是否滿足設(shè)計要求，若不滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)有關(guān)的公式，確定應(yīng)調(diào)整哪一個元器件才能使截止頻率既能達(dá)到設(shè)計要求又不會對其它的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響。此外，還需要多次上電調(diào)試，調(diào)試時應(yīng)小心謹(jǐn)慎，檢查是否有不穩(wěn)定的情況發(fā)生。在調(diào)試過程中尤其要注意電路中的虛焊，如果電路不穩(wěn)定，很有

13、可能是虛焊引起的。三、改進(jìn)后的實際電路圖 1、正弦波振蕩電路我們按照上面的電路圖經(jīng)過第一次嘗試焊接并測試后發(fā)現(xiàn)，出來的正弦波頻率在1200-1250赫茲，分析出的誤差可能由r1、r2的電阻精度導(dǎo)致，故選用一個可滑動的變阻Rv2（20k）代替原來的r2，調(diào)節(jié)r2使正弦波頻率穩(wěn)定在1500赫茲。2、改進(jìn)后的帶通濾波器電路 也是經(jīng)過了按照仿真電路焊接的第一次失敗的嘗試，發(fā)現(xiàn)濾波的幅值與輸入波的幅值之比為1.5左右，通過分析得出r9、r10的精度有差別，后在r9、r10之間加入了一個可滑動的變阻Rv1（20k）。四、產(chǎn)品實物圖及實驗結(jié)果圖7 作品實物圖圖8 1.5kHz正弦波產(chǎn)生效果圖圖9 濾波器效果

14、圖四、實驗結(jié)果分析 1、實驗結(jié)果I.實驗結(jié)果顯示，正弦波振蕩電路產(chǎn)生的正弦波頻率大概為1428hz，與實際要求的1500hz相差72hz，相對誤差為4.8%。帶通濾波器電路的中心頻率為1388hz，接近要求的1500hz，而中心頻率的增益也大約為2，符合要求。II.濾波器的中心頻率HZ時，增益可以達(dá)到2倍，上截止頻率=1417hz下截止頻率=1363hz通帶=54hzQ實際=25但是通帶達(dá)到54左右，與實際要求偏差較大，即品質(zhì)因數(shù)Q實際=25與相差1.7倍2、誤差分析 i.由于正弦波震蕩電路的用于調(diào)節(jié)頻率的滑變電阻調(diào)節(jié)精度較低，因此難以調(diào)節(jié)到準(zhǔn)確的頻率。ii.針對濾波器上下截至頻率誤差較大，主

15、要因素是三個電阻值在不能達(dá)到理論值，電阻值存在誤差，改變增益的R4，R5的阻值沒達(dá)到完全相等，電路中的電容也會改變 五、心得體會這次的課程設(shè)計的意義在于將理論知識應(yīng)用于實踐上，發(fā)現(xiàn)理論跟實踐的區(qū)別。我們在這次課設(shè)中遇到了很多問題，雖然早早就焊好了電路板，但是在測試的過程中卻一直得不到理想的波形，檢查了很多遍，從一開始的迷茫到檢查出電路電源飛線接錯的開心到依舊得不到理想波形，期間燒壞掉運放，節(jié)點要接的沒接上，這些都改好了但是卻依然不行，調(diào)試了很多遍依然不行只能進(jìn)行第二次的電路焊接，有第一次的焊接經(jīng)驗跟錯誤總結(jié)第二次的焊接很順利的進(jìn)行也進(jìn)行了改良，但等到濾波器調(diào)試波形時卻出現(xiàn)了第一次的問題調(diào)不出理

16、想波形，檢查了電路連接運放連接及每個焊接點最后發(fā)現(xiàn)是運放少了一個短腳，換了以后終于可以了有波形出來了，在經(jīng)過反復(fù)的調(diào)電阻協(xié)調(diào)終于得到理想波形，但是卻又有誤差一直無法避免，元件性能對電路影響非常大特別是精密儀器，稍有偏差，結(jié)果就差別很大，耐心真的很重要，經(jīng)歷從一只不知道什么問題到發(fā)現(xiàn)一個問題解決問題是真的很開心但又還是不行的失落心煩，焊接電路時的細(xì)心能避免很多問題調(diào)試的每一步都會影響到輸出波形，要一步一步發(fā)現(xiàn)問題解決問題，這次的課設(shè)很有意義，能對自己所學(xué)有一個了解也提高我們動手能力，看著簡單的電路板自己去悍就不會這么想了，團(tuán)隊的合作很重要，相互彌補(bǔ)不足共同發(fā)現(xiàn)問題解決問題一起進(jìn)步。六、參考文獻(xiàn)1張國雄等編.測控電路.機(jī)械工業(yè)出版社.2001.8.2趙負(fù)圖主編.現(xiàn)代傳感器集成電路.人民郵電出版社.2000.1.3劉征宇主編.線性放大器應(yīng)用手冊.福建科學(xué)技術(shù)