基于運算放大器的工頻信號陷波器設計 multisim仿真

1、課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系 學 號學生姓名專業(yè)（班級）設計題目基于運算放大器的工頻信號陷波器設計設計技術參數(shù)設計消除疊加在頻率為1kHz以上的測試信號中所包含的50Hz工頻信號及其高次諧波（最高5次）信號。設計要求1：完成題目的理論設計模型；2：完成電路的multisim仿真；工作量1：完成一份設計說明書(其中包括理論設計的相關參數(shù)以及仿真結果)2：提交一份電路原理圖；工作計劃第一周周一到周二，查閱資料；第一周周三到周五，理論設計；第二周周一到周三，計算機仿真；第二周周四到周五，撰寫設計說明書并答辯；參考資料1：基于運算放大器和集成電路的電路設

2、計2：模擬電子技術3：電路原理 4：數(shù)字電子技術 5：電子濾波器設計指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。2010年 6 月 18 日 目 錄第1章 摘要4第2章 引言4第3章 基于運算放大器的工頻信號陷波器構建53.1理論分析53.2 參數(shù)計算83.3 電路組成9第4章 基于運算放大器的工頻信號陷波器性能測試114.1 multisim 各頻率信號源仿真114.2 pspice仿真19第5章 結論20心得體會20參考文獻20 第1章 摘要本文介紹一種基于運算放大器的工頻信號陷波器的設計與制作，簡要地介紹了工頻信號陷波器的工作原理與設計方

3、案，并詳細地介紹了該陷波器的參數(shù)設計和制作過程，通過multisim和pispice的仿真與測試，記錄和分析了該陷波器的工作特性與陷波性能，論證了該陷波器的可行性。 該陷波器陷波性能良好，帶寬較小，電路線路簡單，易于實現(xiàn)，濾波性能方便調(diào)整，具有很大的實際應用價值。第2章 引言 工頻陷波器是阻帶寬度較小的帶阻濾波器，它的作用是阻止或濾掉信號中有害分量，達到減少對電路的影響。工頻為一頻率單一且固定的某一信號，工頻通常和二次諧波及高次諧波同時出現(xiàn)。而有時工頻是不需要的，甚至會給其他信號造成很大的干擾。工頻陷波器就是為了很大程度地抑制或阻止該種所不需要工頻信號，同時對其他頻率的信號沒有較大的抑制作用。

4、本文所采用基于運算放大器的工頻信號陷波器的一種設計方法是DABP帶阻濾波器的方法。 高性能的工頻陷波器，它應能完全濾除工頻和其高次諧波而不衰減其他諧波。要獲得這樣高的性能，需要Q值很高的濾波器，而且調(diào)諧必須非常準確，而DABP帶阻濾波器的Q值達到150，適合一般低頻窄帶濾波器設計。 獲得高性能的工頻陷波器，采用DABP帶阻濾波器來實現(xiàn)陷波可大大提高其性能指標。其實現(xiàn)陷波思路有：先利用DABP帶阻濾波器設計每個所要求中心頻率的陷波器，然后把各個濾波器串聯(lián)形成類似于梳狀陷波器的帶阻濾波器。工頻陷波器不僅在通信領域里被大量應用，還在自動控制、雷達、聲納、人造衛(wèi)星、儀器儀表測量及計算機技術等領域有著廣

5、泛的應用。第3章 基于運算放大器的工頻信號陷波器構建3.1理論分析基于運算放大器的工頻信號陷波器設計，用以消除疊加在頻率為1kHz以上的測試信號中所包含的50Hz工頻信號及其高次諧波（最高5次），即設計中心頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的窄帶陷波器。采用子電路的方法，首先分為設計中心頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的5個窄帶陷波器。然后把5個陷波器串聯(lián)，以達到設計要求。最后利用放大單元實現(xiàn)單位增益輸出。該窄帶帶阻濾波器分為六個獨立的單元：1. 50Hz窄帶陷波器。2. 100Hz窄帶陷波器。3. 150Hz窄帶陷波器。4.

6、200Hz窄帶陷波器。5. 250Hz窄帶陷波器。6. 放大系數(shù)為K的放大單元。電路構建框圖和最終電路圖如圖3.1.1圖3.1.2所示 圖3.1.1基于運算放大器的工頻信號陷波器構建框圖 圖3.1.2基于運算放大器的工頻信號陷波器電路圖每個陷波器單元的設計可以獨立進行，并滿足指定中心頻率和帶寬要求，基于僅僅需要消除疊加在頻率為1kHz以上的測試信號中所包含的50Hz工頻信號及其高次諧波（最高5次），為了降低帶寬，則需要選用高品質(zhì)因數(shù)Q的電路，本設計選用DABP帶阻電路（Q<150），其電路如圖3.1.2所示 圖3.1.3 DABP帶阻電路DABP帶阻電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)： (1.1.1) 令可

7、得， (1.1.2) 將上式化成標準形式,則 (1.1.3)令對應系數(shù)相等，通過觀察可得：令，可得 (1.1.4)所以DABP帶阻電路的設計方程為 (1.1.5)所以五個陷波器單元串聯(lián)的轉(zhuǎn)移函數(shù)： 其中 ， ， ， ， ， ， ， ，為了實現(xiàn)最后輸出的單位增益，所以放大單元的放大倍數(shù)，即，因此基于運算放大器的工頻信號陷波器的最終轉(zhuǎn)移函數(shù)：3.2 參數(shù)計算1 當中心頻率為50Hz時，Q為最大值150時，取，根據(jù)式 (1.1.5) 計算可得,。所以取，。2 當中心頻率為100Hz時,Q為最大值150時，取，。根據(jù)式(1.1.5)計算可得, 。所以取，。3 當中心頻率為150Hz時，Q為最大值150

8、時，取，,根據(jù)式 (1.1.5) 計算可得, .所以取，。4 當中心頻率為200Hz時，Q為最大值150時，取，,根據(jù)式(1.1.5)計算可得, .所以，。5 當中心頻率為250Hz時，Q為最大值150時，取，,根據(jù)式(1.1.5)計算可得, .所以，。6 因為放大單元的放大系數(shù)，所以，所以令，。3.3 電路組成圖3.3.1、圖3.3.2 分別為工頻信號有源陷波器Pspice仿真電路和Multisim真電路。圖3.3.1 工頻信號有源陷波器Pspice仿真電路圖1.3.2 工頻信號有源陷波器Multisim仿真電路電路參數(shù)： 第4章 基于運算放大器的工頻信號陷波器性能測試4.1 multisi

9、m 各頻率信號源仿真圖4.1.1 =49Hz時仿真波形圖圖4.1.2 =50Hz時實測波形圖圖4.1.3 =51Hz時實測波形圖表4.1.1 =49Hz、50Hz、51Hz時數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差49109.867-0.1161.04950100.381-28.3820.55651109.859-0.1230.956分析：當頻率為49Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率小于第一窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。當頻率為50Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率等于第一窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號不能通過陷波器。當頻率為51Hz的信號通過陷波器時，

10、由于該頻率大于第一窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。注：本小節(jié)multisim仿真圖中紅色曲線是輸入信號，藍色曲線是輸出信號圖4.1.4 =99Hz時仿真波形圖圖4.1.5 =100Hz時實測波形圖圖4.1.6 =101Hz時實測波形圖表4.1.2 =99Hz、100Hz、101Hz時數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差99109.456-0.4861.106100100.384-28.3130.549101109.489-0.4560.895分析：當頻率為99Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率小于第二窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。當頻

11、率為100Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率等于第二窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號不能通過陷波器。當頻率為101Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率大于第二窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。圖4.1.7 =149Hz時仿真波形圖圖4.1.8 =150Hz時實測波形圖圖4.1.9 =151Hz時實測波形圖表4.1.3 =149Hz、150Hz、151Hz時數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差149108.862-1.0491.163150100.882-21.0910.534151109.089-0.8300.92分析：當頻率為149Hz的信號通過陷波器時，由

12、于該頻率小于第三窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。當頻率為150Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率等于第三窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號不能通過陷波器。當頻率為151Hz的信號通過陷波器，由于該頻率大于第三窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。 圖4.1.10 =199Hz時仿真波形圖圖4.1.11 =200Hz時實測波形圖圖4.1.12 =201Hz時實測波形圖表4.1.4 =199Hz、200Hz、201Hz時數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差199108.123-1.8061.191200101.039-19.6680.53201107

13、.572-2.160.982分析：當頻率為199Hz的信號通過陷波器，由于該頻率小于第四窄帶阻帶的，所以衰減較少，所以該信號能通過陷波器。當頻率為200Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率等于第四窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號不能通過陷波器。當頻率為201Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率大于第四窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。 圖4.1.13 =249Hz時仿真波形圖圖4.1.14 =250Hz時實測波形圖圖4.1.15 =251Hz時實測波形圖表4.1.5 =249Hz、250Hz、251Hz時數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差249107.572-

14、2.4161.217250100.499-26.0380.512251107.804-2.1540.780分析：當頻率為249Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率小于第五窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。當頻率為250Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率等于第五窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號不能通過陷波器。 當頻率為251Hz的信號通過陷波器時，由于該頻率大于第五窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。 4.2 pspice仿真圖4.2.1基于運算放大器的工頻信號陷波器幅頻特性曲線（輸出電壓隨頻率變化而變化）說明：圖中曲線基于運算放大器的工頻信號陷波器幅頻特性曲線，其中A

15、點、C點、D點、F點、G點、I點、J點、L點、M點、O點分別是輸出幅值是輸入幅值0.707的點。B點、E點、H點、K點、N點分別為各個中心頻率的點，即輸出最小的點。圖4.2.1基于運算放大器的工頻信號陷波器波特圖說明：圖中曲線基于運算放大器的工頻信號陷波器波特圖，其中A點、C點、D點、F點、G點、I點、J點、L點、M點、O點是衰減3的DB的點。B點、E點、H點、K點、N點分別為衰減最大的點。第5章 結論本設計采用5個DABP窄帶陷波器串聯(lián)用以消除疊加在頻率為1k Hz上的測信號中所包含的50Hz工頻信號及其高次諧波（最高5次），當頻率50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的信

16、號通過陷波器時，由于這些信號剛好等于陷波器的5個窄帶阻帶的中心頻率，所以工頻信號及其高次諧波（最高5次）不能通過陷波器而被濾掉。而其頻率信號都處于陷波器的這5個窄阻帶的范圍外，這些信號都能通過陷波器。消除了測試信號中來自工頻的干擾。心得體會 通過該課程設計，全面系統(tǒng)的理解了工頻信號陷波器一般原理和基本實現(xiàn)方法。把死板的課本知識變得生動有趣，激發(fā)了學習的積極性。把學過的電子各個方面的知識強化，能夠把課堂上學的知識通過自己的設計表示出來，加深了對理論知識的理解。其次，這次課程設計讓我基本掌握了multsim，pspice等軟件的使用，明白了軟件仿真對設計的重要性。再次，這次課程設計讓我充分認識到團隊合作的重要性，只有分工協(xié)作才能保證整個項目的有條不紊。通