RC有源濾波器的課程設計報告

1、模電課程設計報告， 2011 2012 學年 第 二 學期 RC有源濾波器的設計 課 程 設 計 報 告題 目： RC有源濾波器的設計 專 業(yè)： 自動化 班 級： 10自動化（2） 姓 名： 張樂 夏安 姚培 鄭雷 指導教師： 江春紅 電氣工程系2012年5月25日1、任務書課題名稱RC有源濾波器的設計指導教師（職稱）江春紅 執(zhí)行時間2011 2012 學年第 二 學期 第 14 周學生姓名學號承擔任務張樂1009111114RC有源低通濾波器的設計夏安1009111092RC有源高通濾波器的設計姚培1009111102RC有源帶阻濾波器的設計鄭雷1009111130RC有源帶通濾波器的設計設

2、計目的1、學習RC有源濾波器的設計方法；2、掌握有源濾波器的測試方法；3、測量有源濾波器的幅頻特性。設計要求1、由運算放大器組成有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器。2、通頻帶小于12000。3、測量設計的有源濾波器的幅頻特性。4、選用通用運算放大器，運放的開環(huán)增益應在80dB以上。摘要隨著計算機技術的發(fā)展，模擬電子技術已經(jīng)成為一門應用范圍極廣，具有較強實踐性的技術基礎課程。電子電路分析與設計的方法也發(fā)生了重大的變革，為了培養(yǎng)學生的動手能力，更好的將理論與實踐結合起來，以適應電子技術飛速的發(fā)展形勢，我們必須通過對本次課程設計的理解，從而進一步提高我們的實際動手能力。濾波器在日常生活中非常重要，運用

3、非常廣泛，在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術領域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構成各種濾波器。用集成電路實現(xiàn)的濾波器與其他濾波器相比，其波形質量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標，都有了很大的提高。濾波器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過對濾波器器的原理以及結構設計一個能夠低通、高通、帶寬、阻帶等多種形式的濾波器。我們通過對電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最合適本課題的方案。在達到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟、最方便、最優(yōu)化的設計策略。按照設計的方案選擇具體的元件，焊接出具體的實物，并在實驗室對事物進

4、行調試，觀察效果是否與課題要求的性能指標作對比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。目錄第一章RC有源濾波器總方案設計.51.1 方案框圖.51.2 子框圖的作用.51.3 方案選擇.5第二章 RC低通有源濾波器的設計.72.1低通濾波器的電路設計.72.2低通濾波器的設計原理.72.3 參數(shù)選擇.72.4 仿真.72.5 小結.9第三章 RC高通有源濾波器的設計.1031 高通濾波器的電路設計.103.2 高通濾波器的設計原理.103.3 高通濾波器的設計參數(shù).113.4 仿真. .113.5 小結.12第四章 RC帶通有源濾波器的設計.144.1 RC有源帶通濾波器的設計.144.2 C有

5、源帶通濾波器的設計原理. . .14 4.3 參數(shù)計算.144.4 仿真.144.5 小結.16第五章 RC帶阻有源濾波器的設計.185.1 有源帶阻濾波電路的設計.185.2 有源帶阻濾波電路的設計原理. .185.3 參數(shù)計算.185.4 仿真.185.5 小結.20總結與體會.21參考文獻.21附錄.22答辯記錄及評分表.23第一章 總方案設計11方案框圖 圖1-1 RC有源濾波總框圖1. 2.子框圖的作用1 . RC網(wǎng)絡的作用在電路中RC網(wǎng)絡起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。2 . 放大器的作用 電路中運用了同相輸入運放

6、，其閉環(huán)增益 RVF=1+R4/R3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)絡的作用 將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡，反饋網(wǎng)絡分為正、負反饋。1. 3.方案選擇濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。一個理想的濾波器應在要求的頻（通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。用運算放大器和RC網(wǎng)絡組成的有源濾波器具有許多獨特的優(yōu)點。因為不用電感元件，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重

7、量過大等缺點。由于運算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-31010-5）/攝氏度，頻率精度為+（35）%，并可用簡單的級聯(lián)來得到高階濾波器且調諧也很方便。濾波器的設計任務是根據(jù)給定的技術指標選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術指標有通帶和阻帶之分，通帶指標有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設計中的考慮原則。1. 關于濾波器類型的選擇一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢

8、，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，在這點上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當要求帶通濾波器的通帶較寬時，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好2. 級數(shù)選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(shù)之和。當要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時，則取級數(shù)n應滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/2

9、0)。3. 運放的要求在無特殊要求的情況下，可選用通用型運算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運放的開環(huán)增應在80dB 以上。對運放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設工作頻率的上限為Fh,則運放的單位增益寬帶應滿足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。 如果濾波器的輸入信號較小，例如在10mV以下，則選低漂移運放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡中電阻元件的值超過100k，則應選低漂移高輸入阻抗的運放。4. 元器件的選擇一般設計濾波器時都要給定截止頻率fc (c)帶內(nèi)增益Av，以及品質因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設計時經(jīng)常

10、出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之數(shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。第二章 RC有源低通濾波器的設計 簡單一階低通濾波器 2.1有源低通濾波器的電路設計：設計一階有源低通濾波器的實際電路如下圖 圖 2-1 簡單一階低通濾波器2.2一階有源低通濾波器的設計原理：傳遞函數(shù)：AU(S)=UO(S)/Ui(S)=(1+R2/R1)UP(S)/Ui(S) =（1+R2/R1）1/(1+sRC) 用jw取代s，且令f0=1/2piRC,

11、得出電壓放大倍數(shù)： AU=(1+R2/R1) ·1/(1+jf/f0) 其中f0稱為特征頻率。令f=0，可得到通帶放大倍數(shù) AUP=1+R2/R12.3參數(shù)計算集成運放：OPAMP 3T VIRTUAL參數(shù)選擇： 電容C=0.01uf fH=1/2piRCR=16K 取R1=R2=1K2. 4 仿真 1.一階有源低通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖2-22.輸入輸出波形如下：圖2-3A通道是輸出波，輸入的為正弦波；B通道是輸入波，輸出的也為正弦波。3.相頻特性如下： 圖2-44.幅頻特性如下： 圖2-52.5小結：在設計有源低通濾波器時，由于沒有參數(shù)要求，所以本次課題設計中

12、選擇了常用一階電路，選擇的截止頻率為1000HZ。通過示波器得到的波形，發(fā)現(xiàn)輸入和輸出是頻率相等的正弦波。在幅頻特性曲線中，可以看出一階低通濾波器的過渡帶較寬，阻帶衰減太慢，幅頻特性的最大衰減斜率僅為-20db/十倍頻，所以我們可以知道低通濾波器的選擇性較差。第三章 RC有源高通濾波器壓控電壓源二階高通濾波器的設計3.1壓控電壓源二階高通濾波器的電路設計：設計壓控電壓源二階高通濾波器的實際電路如下圖 圖 3-1 壓控電壓源二階高通濾波器3.2二階高通濾波器的設計原理：1. 電路的傳遞函數(shù): 2.電路的通帶放大倍數(shù)： 3電路的截止頻率： 4.電路的品質因素：3.3參數(shù)選擇：Rf=5.1k R1=

13、5.1k C=0.01uF R=10k計算得：Auo=2 fc=3120Hz3.4 仿真 1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖 3-22.輸入輸出波形如下：圖 3-33.幅頻特性如下：圖 3-44相頻特性如下：圖 3-55. 小結：該高通濾波器的通頻帶的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。從圖中可以看出截止頻率與理論計算值誤差很小，所以本方案可行。第四章 RC有源帶通濾波器 無限增益多路反饋高通濾波器的設計4.1 RC有源帶通濾波器的設計 設計多路反饋高通濾波器電路圖如下 圖4-1 多路反饋高通濾波器4.2 多路反饋高通濾波器的設計原理：Auf =

14、1+當C1=C2=C, R1=R3=R, R2=2R時，電路的傳遞函數(shù): Au(s)=Auf(s)(SRC/1+3-Au f(s)SRC+SRC2)4.3參數(shù)選擇R1=3k R2=1.5k R3=300 R4=1.5k R5=40k C1=C2=0.01uF 4.4仿真1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖4-22.輸入輸出波形如下：圖4-33.相頻特性如下：圖4-44.幅頻特性如下：上截止頻率：圖4-5下截止頻率：圖4-65.小結由此電路可知，電阻R1與C組成低通濾波器，后面一個電容C與電阻R2組成高通濾波器，二者串聯(lián)在一起組成帶通濾波器。除此之外，R4與Rf組成同相比例運

15、算電路，R3則是為改善電路特性而引入的反饋。帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。注意：要將高通的下限截止頻率設置為小于低通的上限截止頻率。第五章 RC有源帶阻濾波器5.1 RC有源帶通濾波器的設計設計多路反饋高通濾波器電路圖如下：圖5-15.2 多路反饋高通濾波器的設計原理：中心頻率fo=1/2RC;帶寬 f2-f1=2（2-Kf）；增益 Kf=1+RF/Rf;Q點 Q=1/2(2-Kf)；5.3參數(shù)選擇R1=R2=2R3=78k；C1=C2=C3/2=1.0nF；R5=RF=10k R4=Rf=8k;5.4仿真1. 二階高

16、通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖5-22.輸入輸出波形如下：圖5-32. 幅頻特性如下：下截止頻率：圖5-4上截止頻率：圖5-53. 相頻特性如下：圖5-64.小結：有源帶阻濾波器的設計，難點在于確定電路圖，我設計的方案必須自己構思不能和課本上的一樣，在經(jīng)過一系列的查詢和思考后才確定了該方案，在仿真中也有一些相位失真，說明這個有源帶阻濾波器的方案還有需要改進的地方，外圍電路中的電阻電容值還不夠好。但限于時間和能力，只能做成這個樣子。并且我也從中收獲了不少的東西。不過我覺得總體上應該沒太大的錯誤吧 雖然設計原理不是自己的，但是通過本次設計對有源帶阻濾波器有了更為深刻的認識了，收獲頗多

17、!總結與體會經(jīng)過一個星期的時間,從任務分配,閱讀相關文獻,搜索資料到最后編寫,在緊張而有序的氛圍中完成了課題。第一次接觸到此類課題，感覺無從下手。一方面，由于長時間沒有接觸到此類問題的原因;另一方面,就是我們小組對RC有源濾波器各方面知識的欠缺。在查找各相關文獻后得知：濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中都有廣泛的應用。一個理想的濾波器應在要求的頻通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。當然實際的濾波器據(jù)此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。 本次課題為RC有源濾波器低通，高通，帶通和帶阻的設計。任務量雖然不多，但設計時卻比較棘手，再把電路圖設計好后，我們還

18、需要對各器件設置一定的參數(shù)使其控制在課題給定的要求范圍內(nèi)。最后，進行仿真。從仿真中得出的結果來驗證這些參數(shù)的準確性。整個過程度比較繁瑣，單靠個人來完成就更加困難了，所以需要一個小團隊來共同完成。從中我們也體會到了團隊合作的力量和樂趣，也學會了很多書本以外的知識。 此次課題的制作也在一定程度上增強了我們的動手能力和從茫茫文獻中提取有用知識的能力，從中我們也認識到了自身專業(yè)知識的欠缺，今后需要更加努力。整個過程雖累但并快樂著！參考文獻1.電子線路設計·實驗·測試華中科技大學出版社。 2.模擬電子技術基礎 康華光 高等教育出版社。 3.模擬電子技術胡宴如 主編 高等教育出版社。4.模擬電子技術基礎童詩白，華成英 主編 高等教育出版社。附錄濾波器電阻k電容F截止頻率(計算值)HZ截止頻 率（實際值）HZ通頻帶誤差%低通R=16R1=R2=1C=0.01fp=1000fp=1065小于106