二階壓控型低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)doc

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 電子線路綜合課程設(shè)計(jì) 題 目 有源濾波器設(shè)計(jì) 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程14-3 學(xué)生姓名 陳忠昕 學(xué)生學(xué)號(hào) 140901140308 指導(dǎo)教師 韓建 2016年7月14日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 電子線路綜合課程設(shè)計(jì)題目 有源濾波器設(shè)計(jì)專業(yè) 電子信息工程14-3 姓名 陳忠昕 學(xué)號(hào) 140901140308 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：利用運(yùn)算放大器組成有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器?；疽螅?. 通頻帶自定義；2. 測(cè)量設(shè)計(jì)的有源濾波器的幅頻特性；3. 選用通用運(yùn)算放大器，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益應(yīng)在80dB以上

2、；4. 采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證和完善設(shè)計(jì)方案；5. 按要求完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，交激光打印報(bào)告和電子文檔。主要參考資料：1 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)M. 北京：高等教育出版社，2006.2 陳明義. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程(第3版) M. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.3 程春雨. 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M. 北京：電子工業(yè)出版社，2016.完成期限 2016年7月14日 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2016 年 7 月 5 日1、 任務(wù)技術(shù)指標(biāo)1. 二階壓控型有源低通濾波器（LPF）設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控型有源低通濾波器，要求特征頻率f0=100kHz，Q=1；2. 二階

3、壓控型有源高通濾波器（HPF）設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控型有源高通濾波器，要求特征頻率f0=100Hz，Q=1；3. 二階壓控型有源帶通濾波器（BPF）設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控型有源帶通濾波器，要求中心頻率為f0=5KHz，Q=2；4. 二階壓控型有源帶阻濾波器設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控型有源帶阻濾波器，要求中心頻率為f0=100Hz，Q=2；2、 總體設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)濾波電路實(shí)現(xiàn)，讓指定頻段的信號(hào)能比較順利地通過(guò)，而對(duì)其他頻段信號(hào)起衰減作用。如低通濾波電路能使低頻信號(hào)順利通過(guò)，而使高頻信號(hào)受到抑制。常見(jiàn)的無(wú)源濾波有RC濾波，但RC濾波電路中的電阻會(huì)消耗信號(hào)能量，所以我們用放大電路和RC網(wǎng)絡(luò)組成有源濾波電路，以提高濾波性能。

4、1. 二階壓控型有源低通濾波器（LPF）電將簡(jiǎn)單二階有源低通濾波電路中C1的接地端改接到集成運(yùn)放的輸出端，形成反饋。如圖1所示，對(duì)于反饋信號(hào)而言，電容C1具有超前作用，而電容C2=具有滯后作用。因此只要參數(shù)合適，可使該電路在f0附近的反饋極性為正，又不致造成自激振蕩，從而使f0附近的電壓放大倍數(shù)得到提高。當(dāng)f<<f0時(shí)，電容C1阻抗大，反饋信號(hào)弱，對(duì)電壓放大倍數(shù)影響不大。當(dāng)f>>f0時(shí)信號(hào)被C2衰減，輸出電壓的幅值小，反饋信號(hào)弱，對(duì)電壓放大倍數(shù)影響也不大。1) 通帶電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù)是f=0時(shí)輸出電壓與輸入電壓之比。而對(duì)于直流信號(hào)而言，電路中的電容相當(dāng)于開(kāi)路，

5、因此通帶電壓放大倍數(shù)（I）；2) 傳遞函數(shù)集成運(yùn)放同相輸入端的對(duì)地電壓與輸出電壓的關(guān)系是（II），U+(S)與M點(diǎn)的電位關(guān)系是（III），由節(jié)點(diǎn)電流法可得（IV）,將（I）（II）（III）式聯(lián)立求解，可以得到傳遞函數(shù)（V）。該式表明此電路的通帶電壓放大倍數(shù)應(yīng)該小于3，否則Au(S)將有極點(diǎn)處于右半s平面或虛軸上，電路不能穩(wěn)定工作。若希望Aup>3，可采用二階無(wú)限增益多路反饋LPF。3) 頻率特性將傳遞函數(shù)中的s換成j，并令，則有。當(dāng)f=f0時(shí)可化簡(jiǎn)為（VI）。2. 二階壓控型有源高通濾波器（HPF）有源高通濾波器與有源低通濾波器成對(duì)偶關(guān)系，如圖2所示幅頻特性曲線、傳遞函數(shù)與LPF成對(duì)偶

6、關(guān)系。若HPF和LPF的通帶截止頻率相同，那么HPF和LPF的幅頻特性以垂直線f=fp為對(duì)稱，二者隨頻率的變化是相反的，HPF的|Au|隨頻率升高而增大。將LPF傳遞函數(shù)中的s換成，調(diào)整一下系數(shù)，則變成了相應(yīng)的HPF的傳遞函數(shù)。所以，可以得到1) 通帶電壓放大倍數(shù)當(dāng)頻率足夠高時(shí)，電容C1和C2可視為短路，因此HPF的通帶電壓放大倍數(shù)為；2) 傳遞函數(shù)根據(jù)對(duì)偶關(guān)系，將LFP傳遞函數(shù)中的sCR換為，則得到HPF的傳遞函數(shù)，整理得；3) 頻率特性將中的s換成j，并令，則有。所以f<<f0時(shí)幅頻特性的斜率為+40dB/十倍頻。通帶電壓放大倍數(shù)應(yīng)小于3，否則將引起自激振蕩。3. 二階壓控型有

7、源帶通濾波器（BPF）簡(jiǎn)單的BPF可以由LPF和HPF串聯(lián)構(gòu)成，只需滿足LPFd通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率。這樣構(gòu)成的BPF通帶較寬，通帶截止頻率容易調(diào)整，但所用的元器件較多。在二階LPF電路中，RC網(wǎng)絡(luò)是由兩節(jié)RC組成的，若將其中一階RC電路改為高通接法，就構(gòu)成了二階BPF。1) 傳遞函數(shù)，且R2=2R=2R1則，其中，2) 中心頻率和通帶電壓放大倍數(shù)將傳遞函數(shù)中的s換成j，并令，則可得當(dāng)f=f0時(shí)，Au的模最大，此時(shí)有中心頻率f0，通帶電壓放大倍數(shù)為。注意：BPF中，通帶電壓放大倍數(shù)不等于同相比例電路的電壓放大倍數(shù)。3) 通帶截止頻率將當(dāng)中第一項(xiàng)分母的虛部系數(shù)的絕對(duì)值等于1時(shí)，所

8、以通帶截止頻率fp可根據(jù)下式導(dǎo)出：，得到4) 通帶寬度B、Q值和頻率特性BPF的通帶寬度，那么可得，頻率特性上面一段話表明，改變電阻Rf或R1可以改變通帶寬度而不影響中心頻率，Q值越大，BPF的通帶寬度越窄，選擇性越好。4. 二階壓控型有源帶阻濾波器（BEF）從幅頻特性可知，LPF和HPF相并聯(lián)可以構(gòu)成BEF，但這樣并聯(lián)比較困難且元器件過(guò)多，于是我們常先將兩RC網(wǎng)絡(luò)（無(wú)源低通濾波和無(wú)源高通濾波）并聯(lián)構(gòu)成無(wú)源帶阻濾波器，然后將其與集成運(yùn)放構(gòu)成有源BEF，又被稱為雙T網(wǎng)絡(luò)。1) 通帶電壓放大倍數(shù)當(dāng)頻率足夠高或等于0時(shí)，BEF的電壓放大倍數(shù)就是通帶電壓放大倍數(shù)，為；2) 傳遞函數(shù)根據(jù)a,b處的節(jié)點(diǎn)電

9、流法可得，輸入端電流可視為零，所以輸入端電容和電阻中的電流相等，有，又因?yàn)?，將上述四個(gè)等式聯(lián)立求解可得該電路傳遞函數(shù)為。3) 中心頻率將傳遞函數(shù)中的s換成j，并令，則可得當(dāng)f=f0時(shí)，Au的模最小，值等于零。4) 通帶截止頻率及阻帶寬度根據(jù)，解得兩截止頻率得到阻帶寬度3、 具體設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)電路1) 二階壓控型有源低通濾波電路設(shè)計(jì)電路中，由R和C確定特征頻率f0的值，而通帶電壓放大倍數(shù)Aup的值由R1和Rf確定。此外，電路還應(yīng)滿足集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻的對(duì)稱條件；要求特征頻率f0=100kHz，Q=1 。先選擇C=10nF，則由可得R=159.16，則取R=160。已知通帶電壓放大倍數(shù)Aup

10、=2,聯(lián)立和公式，可以解得R1=Rf =640。于是根據(jù)以上參數(shù)在multisim上仿真電路，電路圖如圖6所示：2) 二階壓控型有源高通濾波電路設(shè)計(jì)先選擇C=10nF，則由可得R=159154.943，則取R=159k。已知Q=1，則通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2,聯(lián)立和公式，可以解得R1=Rf =636k。于是根據(jù)以上參數(shù)在multisim上仿真電路，電路圖如圖7所示：3) 二階壓控型有源帶通濾波電路設(shè)計(jì)要求中心頻率為5KHz，Q=2的帶通濾波器。先選擇C=100nF，則根據(jù)可得R=318.310，取R=318。再計(jì)算R1和Rf 的值，代入，再聯(lián)立，則可選取，串聯(lián)一個(gè)R4=2R-(R1/Rf )

11、=0.6以滿足對(duì)稱條件以上參數(shù)在multisim上仿真電路，電路圖如圖8所示：4) 二階壓控型有源帶阻濾波電路設(shè)計(jì)抑制一定范圍的交流干擾，要求BEF的中心頻率為f0=100Hz，選C=10uF，則根據(jù)可得R=159.155，取R=160。再計(jì)算R1和Rf 的值，代入，再聯(lián)立，則可選取。仿真如圖9所示2 仿真及仿真結(jié)果分析1) 二階壓控型有源低通濾波電路仿真及分析由圖10可知，電路增益約為2，達(dá)到要求。由圖11可知，當(dāng)f=10Hz時(shí)，增益為6.1dB；當(dāng)f=fH=66.343kHz時(shí)，增益達(dá)到最大增益8.298dB；當(dāng)f=f0=100.103kHz時(shí)，增益為4.701dB；當(dāng)f=fL=405.3

12、87kHz時(shí)，增益為-19.134dB。2) 二階壓控型有源高通濾波電路仿真及分析由圖12可知，電路增益約為2，達(dá)到要求。由圖13可知，當(dāng)f=f0=5.106kHz時(shí)，增益為4.619dB；當(dāng)增益為0.7倍4.169dB時(shí)，有fH=264.46kHz和fL=83.034Hz。3) 二階壓控型有源帶通濾波電路設(shè)計(jì)由圖14可知，電路增益約為2，達(dá)到要求。由圖15可知，當(dāng)f0=5kHz時(shí)，增益為7.377dB；可知，fH6.4kHz時(shí)增益為7.683kHz；fL=3.9kHz時(shí)，增益為6.792kHz。4) 二階壓控型有源帶阻濾波電路設(shè)計(jì)由圖16可知，電路增益約為2，達(dá)到要求。由圖17可知，當(dāng)f0=

13、100Hz時(shí)，增益為-31.894dB；當(dāng)fH128Hz時(shí)增益為1.919dB；fL=78Hz時(shí)，增益為1.715dB。4、 結(jié)論濾波器是一種能夠使有用頻率信號(hào)通過(guò)，而同時(shí)抑制（或衰減）無(wú)用頻率信號(hào)的電子電路或裝置，在工程上常用它來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。有源濾波器是由集成運(yùn)放、R、C組成，其開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，但因受運(yùn)算放大器頻率限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。本次設(shè)計(jì)主要是在所學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電路基礎(chǔ)等專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上研究和設(shè)計(jì)幾種典型的二階有源濾波電路：壓控型二階有源低通濾波電路、壓控型二階有

14、源高通濾波電路、壓控型二階有源帶通濾波電路、壓控型二階有源帶阻濾波電路，研究和設(shè)計(jì)其電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再利用multisim 軟件進(jìn)行仿真，組裝和調(diào)試各種有源濾波器，探究其幅頻特性。經(jīng)過(guò)仿真和調(diào)試，本次設(shè)計(jì)的二階有源濾波器各測(cè)量參數(shù)均與理論計(jì)算值相符，通頻帶的頻率響應(yīng)曲線平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，衰減率可達(dá)到|-40Db/10oct|,濾波效果很理想。四種有源濾波電路之間可以相互轉(zhuǎn)換，將LPF中起濾波作用的RC對(duì)調(diào)即變?yōu)镠PF，將LPF和HPF串聯(lián)，調(diào)整參數(shù)即為BPF，將LPF和HPF并聯(lián)則可得到BEF。參考資料1 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)M. 北京：高等教育出版社，2006.2 陳明義. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程(第3版) M. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.3 程春雨. 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M. 北京：電子工業(yè)出版社，2016.4 程勇.實(shí)例講解Multisim 10 電路仿真M.北京：人民郵電出版社，2010.5 龔晶、劉斌、陳軍.RC有源濾波器實(shí)驗(yàn)與仿真研究J.南京：解放軍理工大學(xué)理學(xué)院.東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表課程名稱電子線路綜合課程設(shè)計(jì)題目名稱（學(xué)生填寫）學(xué)生姓名（學(xué)生填寫）學(xué)號(hào)（學(xué)生填寫）指導(dǎo)教師姓名（學(xué)生