有源濾波器設(shè)計報告書21頁

1、廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書題目名稱有源濾波器設(shè)計學(xué) 院專業(yè)班級姓 名學(xué) 號摘要濾波器（filter）是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到的純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。帶通濾波器（band-pass filter）是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量，能將其他范圍分量衰減的設(shè)備。一個理想濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，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)換在技校的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器，因為并不能將期望頻率范圍

2、外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在索要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍，這通常被稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，使用每十倍頻的衰減幅度dB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，通常就變得不再平坦-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)被稱為吉布斯現(xiàn)象。帶通濾波器能夠廣泛應(yīng)用在電子學(xué)和信號處理領(lǐng)域，本文重點介紹了帶通濾波器的工作原理以及設(shè)計方法，介紹了帶通濾波器的工作原理并設(shè)計了一個帶通濾波電路，并給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計方法和主要模塊的原理分析。由實驗結(jié)果可知，該濾波器具有良好的濾波效果，并能穩(wěn)定運行。關(guān)鍵

3、詞：帶通濾波器 multisim 設(shè)計目錄前言4第一章 二階帶通濾波器設(shè)計的內(nèi)容和要求 5第二章 電路設(shè)計 6 一、正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計 6 二、壓控電壓源型二階帶通濾波器設(shè)計8第三章 電路的仿真調(diào)試10第四章 焊接并調(diào)試電路13第五章 總結(jié)14第六章 主要參考文獻15前言近幾年隨著冶金、化工、紡織機構(gòu)等工業(yè)使用的各種非線性用電設(shè)備而產(chǎn)生的大量的高次諧波，已導(dǎo)致電網(wǎng)上網(wǎng)正常波形發(fā)生嚴重畸變，影響到供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和用戶用電設(shè)備的安全經(jīng)濟運行。 隨著生產(chǎn)技術(shù)方式的變化，生產(chǎn)力確實得到較大提高，可同時也受到方方面面的限制。如當人們做出了具體的制度設(shè)計需要付諸實踐進行試驗，試驗過程中不可避免地會受到

4、一些偶然隨即因素的干擾，為評價新方案的效果，需排除這些隨即因素的影響，即需要一個濾波器。經(jīng)濾波以后對新方案的效果進行檢驗。有源濾波器一般由集成運放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時，由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號處理。此系統(tǒng)以測控電路以及電子電工的基本理論為基礎(chǔ), 并通過查閱手冊和參考文獻資料，綜合運用測控電路課程中所學(xué)的理論知識,在一個團隊的共同協(xié)作下完成設(shè)計的。第

5、一章 二階帶通濾波器設(shè)計的內(nèi)容和要求一、課程設(shè)計的內(nèi)容1、設(shè)計內(nèi)容 （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)； （4）用Matlab畫出所設(shè)計的二階帶通濾波器的幅頻和相頻曲線；2、電路仿真 根據(jù)有源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，觀察有源濾波器隨著輸入信號頻率的變化，有源 濾波器輸出信號的變化。 3、使用Protel繪制電路原理圖，布局PCB板，使用熱轉(zhuǎn)印或者曝光方法 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 成電路焊接、調(diào)試。 二、

6、課程設(shè)計的要求與數(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、電路工作原理分析； 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。第二章 電路設(shè)計 一、首先設(shè)計一個如下圖所示的1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路：RC橋式振蕩電路如上圖所示。由圖示可知，此電路由放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)組成，其中，R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運算放大器的輸出與同相輸入端之間構(gòu)成正反饋，以此產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、Rw以及R4組成負反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)R

7、w可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與負反饋中的R3、Rw剛好組成一個四臂電橋，電橋的對角線定點街道放大器A1的兩個輸入端，橋式振蕩電路的名稱便由此得來。根據(jù)電路分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，根據(jù)正弦波振蕩電路的振幅平衡條件，選擇合適的放大指標，構(gòu)成一個完整的振蕩電路。振蕩電路的傳遞函數(shù)計算根據(jù)上圖計算：,其中，Z1、Z2分別為途中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻值?？梢杂嬎愕玫捷斎肱c輸出的傳遞函數(shù)如下：（）由（）式可得，= 即取=16K,=f,則有=1000Hz振蕩電路分析就實際的頻率而言，可用s=jw替換，在w=時，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\放同相

8、端的電壓與同相，這樣，放大電路和由Z1和Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足滿足相位平衡條件。(j)=令=，且=C,=R,則式（）變?yōu)?j)=由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻響應(yīng)=相頻響應(yīng)=-arctan由此可知=，或f=時，幅頻響應(yīng)的幅度為最大，即=而相頻響應(yīng)的相位角為零，即=0這說明，當=時，輸出的電壓的幅度最大（當輸入電壓的幅度一定，而頻率可調(diào)時），并且輸出電壓時輸入電壓的，同時輸出電壓與輸入電壓同相。由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括w=這樣一些頻率成分，這種微弱的信號，經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中的非線性元件的限制，使振蕩幅

9、度自動的穩(wěn)定下來，開始時，放大電路的放大倍數(shù)Av1=; 為可變電阻值的上部分值，為下部分值，當Av1略大于3時，達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過調(diào)節(jié)才能輸出穩(wěn)定的正弦波。適當調(diào)整負反饋的強弱，使Av1的值在起振時略大于3，達到穩(wěn)定是Av1=3，其輸出波形為正弦波，失真很小。如果Av1的值略大于3，則會因振幅的增長，致使放大器件工作在非線性區(qū)域，波形將產(chǎn)生嚴重的非線性失真。二極管對A1的輸出電壓進行限幅再進入比例放大環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，W2便可以改變A2的增益，從而改變輸出波形的幅值。為了讓輸出波形穩(wěn)定，應(yīng)讓=3解得 =%所以應(yīng)該調(diào)到%左右，才產(chǎn)生最理想的波形。由圖（）可以得出放大器A2的增益=由于01K，所

10、以 由此可見?；瑒幼冏杵鞯恼{(diào)節(jié)功能對放大器的增益影響不大。二 壓控電壓源型二階帶通濾波器 壓控帶通濾波器的傳遞函數(shù)壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖所示，電路的傳遞函數(shù)為：（s）= 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)： 式（）中，通帶帶寬：BW=f=BW= Q= (BW時) 設(shè)計一個壓控電壓源二階打通濾波器，指標要求為：通帶中心頻率=1kHz;；通帶電壓放大倍數(shù)=2;通帶帶寬f=50Hz。 設(shè)計步驟及元器件選擇1）選取圖（）壓控電壓源型二階帶通濾波電路；2）該電路的傳遞函數(shù)： 品質(zhì)因數(shù)： Q=20通帶的中心頻率：=2&#

11、215;1000 （）通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：=2 =取C=(F)=(F)=F為使電路穩(wěn)定工作必須要求3,取 =2,即由此可算出電阻 =159155取標稱值=160k將 將C=F,=160k，=2=2代入（）得到關(guān)于的二次方程： =0可解得 =5719 =11438取標稱值 =至此，壓控電壓源二階帶通濾波器無源器件參數(shù)基本確定。第三章 電路的仿真調(diào)試如下圖所示，為1000Hz正弦波產(chǎn)生電路在Multisim軟件中的電路圖 打開仿真開關(guān)，調(diào)節(jié)W1，調(diào)節(jié)示波器時間軸比例得到 下圖的波形圖，從圖中可以看出，正弦波經(jīng)過放大，且周期大約是1ms,即1000Hz.如上所示為壓控電壓源二階帶通濾波器

12、電路上圖為對應(yīng)的波形圖，且可以看出，通帶電壓放大倍數(shù)大約為2由上圖可看出通帶中心頻率大約是1000Hz通帶下限截止頻率大約是975Hz通帶上限截止頻率大約是1025Hz通過上下限截止頻率可知，通帶帶寬f=50Hz。通過以上仿真可知，仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計要求，所選元器件參數(shù)沒有錯誤，可以進行實際制作階段。第四章 焊接并調(diào)試電路。根據(jù)所需列表，購買相應(yīng)的元器件，并根據(jù)電路圖焊接電路。定值電阻電位器電容整流二極管放大器錫線其它16K*210K*347K*2160K*1*1*1100K*11K*1F*2F*22LM324一圈萬用板2塊導(dǎo)線若干萬用表1個電烙鐵1個利用函數(shù)信號發(fā)生器和示波器對壓控電壓源二

13、階帶通濾波器進行測試，直至設(shè)計基本達到要求。第五章 總結(jié)在本小組三個成員的努力下，經(jīng)過4天的日夜奮戰(zhàn)，終于按照要求完成任務(wù)，各項指標已經(jīng)達到了設(shè)計要求，經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)電路測試效果良好。在課程設(shè)計期間，雖然多多少少出現(xiàn)了一些問題，但在各位組員的共同努力下，經(jīng)過不斷的討論和交流，最終還是順利完成了老師交代的任務(wù)。本次課設(shè)的題目為二階帶通濾波器設(shè)計，是我們本學(xué)期所學(xué)課程測控電路里的一個重要內(nèi)容，但縱觀整個設(shè)計過程，我們既需要理解并運用測控電路里的知識，也要回憶起大一所學(xué)的電子電路技術(shù)（模擬部分），還要要求熟練使用multisim軟件進行仿真，可謂是把大一到大三的知識都用了個遍。通過這次課程設(shè)計，我們

14、三人不僅對課本的知識有了更加深入的認識，也體會到各種知識如何在實際的設(shè)計中的運用，還體會到小組成員間應(yīng)該如何進行配合。在實驗之前，我們?nèi)诉M行了資料查閱，找了不少有關(guān)二階帶通濾波器的相關(guān)資料，對我們實驗設(shè)計的正確開展提供了不少幫助。在進行設(shè)計和調(diào)試的時候，不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，仔細尋找解決問題的辦法。我們學(xué)會了對實際設(shè)計的帶通濾波器的性能進行分析，找出其存在的問題。由于濾波器的中心頻率對電路元件（如電容、電阻）的參數(shù)十分敏感，比較難調(diào)試出比較合適的參數(shù)，而且，在實際中，電路元件的參數(shù)容易隨外界環(huán)境的干擾發(fā)生變化，容易導(dǎo)致中心頻率的偏移，從而影響濾波結(jié)果的準確性。在這次電路設(shè)計中，我們先計算電路參數(shù)，然后利用multisim進行虛擬仿真，在計算機調(diào)節(jié)各項參數(shù)，直至設(shè)計出符合要求的電路，并利用軟件自帶的仿真功能對電路進行分析，直至得到設(shè)計出所要求的結(jié)果。由最后電路的測量分析結(jié)果可知，通過multisim仿真出來的結(jié)果與理論分析的計算結(jié)果十分接近。在本次課設(shè)中，我們?nèi)硕嫉玫搅瞬簧俚某砷L，不僅在各自的動手能力和對課本知識的掌握中有了提高，培養(yǎng)了對該課