有源濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目名稱有源濾波器設(shè)計(jì)學(xué) 院專業(yè)班級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)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(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外 的頻率進(jìn)行有效濾除的電路， 就是濾波器， 其功能就是得到一個(gè)特定 頻率或消除一個(gè)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(gè)理想濾波器應(yīng)該有一個(gè)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(shí)際上，并不存在理想的帶

2、通濾波器， 因?yàn)椴⒉荒軐⑵谕l率范圍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(gè)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(jì)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(jì)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(hào)處理領(lǐng)域， 本文重點(diǎn)介 紹了帶通濾波器的工作原理以及設(shè)計(jì)方法， 介紹了帶通濾波器的工作 原理并設(shè)計(jì)了一個(gè)帶通濾波電路， 并給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法和主 要模塊

3、的原理分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該濾波器具有良好的濾波效果， 并能穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞： 帶通濾波器 multisim 設(shè)計(jì)目錄前言 4第一章二階帶通濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求 5第二章電路設(shè)計(jì) 6一、正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 6、壓控電壓源型二階帶通濾波器設(shè)計(jì)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(xiàn) 15、八 、前言近幾年隨著冶金、 化工、紡織機(jī)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(yán)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(jì)運(yùn)行。隨著生產(chǎn)技術(shù)方式的變化， 生產(chǎn)力確實(shí)得到較大提高， 可同時(shí)也受到方方

4、面 面的限制。 如當(dāng)人們做出了具體的制度設(shè)計(jì)需要付諸實(shí)踐進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)過程中 不可避免地會(huì)受到一些偶然隨即因素的干擾， 為評(píng)價(jià)新方案的效果， 需排除這些 隨即因素的影響，即需要一個(gè)濾波器。經(jīng)濾波以后對(duì)新方案的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。有源濾波器一般由集成運(yùn)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(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)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(hào)， 衰減無用頻率的信號(hào)， 抑制干擾 和噪聲，以達(dá)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(cè)量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。此系統(tǒng)以測(cè)控電路以及電子電工的基本理

5、論為基礎(chǔ) , 并通過查閱手冊(cè)和參 考文獻(xiàn)資料，綜合運(yùn)用測(cè)控電路課程中所學(xué)的理論知識(shí) , 在一個(gè)團(tuán)隊(duì)的共同協(xié)作 下完成設(shè)計(jì)的。第一章 二階帶通濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1、設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)電路的仿真，并畫 出電路各點(diǎn)的信號(hào)波形，觀察有源濾波器隨著輸入信號(hào)頻率的變化，有源 濾波器輸出信號(hào)的變化。3、使用Protel繪制電路原理圖，布局P

6、CB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(gòu)買相應(yīng)元器件，完 成電路焊接、調(diào)試。二、課程設(shè)計(jì)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(jì)報(bào)告三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1 、電路原理圖設(shè)計(jì)；2 、電路工作原理分析；3 、電路參數(shù)計(jì)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(jì)報(bào)告；7 、實(shí)物演示與答辯。第二章 電路設(shè)計(jì)、首先設(shè)計(jì)一個(gè)如下圖所示的1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路:W00H2正弦波產(chǎn)生電餡R4 1L.,W2RS1 i 1I（文式電橋振蕩雅-T10KLI110K-e15Kbaidu

7、- coiV diydzCl OOIUF成志電子麗網(wǎng) http;/hl O.OIUFC2詢迂二r6+7Wl5IK12y XIK2C1C2是干奢譽(yù)岀 R3由上大嶄克熬它扳出 了琢響到31姐成電橋的一個(gè)S,R2,C2組戰(zhàn)另一個(gè)替*R3,DKD2與啊組威電橋的 另外卅兩譬，起穩(wěn)定據(jù)帖的 疔用適當(dāng)酒節(jié)昭可以得 到波我主X卜且土齊穗定 笳輸岀波刑.札接詐潔謨 硏亂中據(jù)有 區(qū)誓& 曦作岀M 根岀常的卩 二覇正轟 臚&肘蕓>勇號(hào)整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(yùn)算放大器的輸出與 同相輸入端之

8、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(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)Rw可改變負(fù)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(fù)反饋中的R3 Rw剛好組成一個(gè)四 臂電橋，電橋的對(duì)角線定點(diǎn)街道放大器 A1的兩個(gè)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(biāo)，構(gòu)成一個(gè)完整的振蕩電路。振蕩電路的傳遞函數(shù)計(jì)算根據(jù)上圖計(jì)算：，其中，Z1、Z2分別為途中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻值?？梢杂?jì)算得到輸入與輸出的傳遞函數(shù)如下:由（）式可得， = 即取=16KQ ,=卩f,則有=1000

9、Hz振蕩電路分析就實(shí)際的頻率而言，可用s=jw替換，在w=時(shí)，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放 同相端的電壓與同相，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 宀）=令=，且=C,=R,則式（）變?yōu)椋╦ 宀）=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3 =，或 f=時(shí)，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(dāng)3二時(shí)，輸出的電壓的幅度最大（當(dāng)輸入電壓的幅度一定，而頻 率可調(diào)時(shí)），并且輸出電壓時(shí)輸入電壓的，同時(shí)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，其中也包括可=這樣一些頻率成分，

10、這種微弱的信號(hào)， 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， 使振蕩幅度自動(dòng)的穩(wěn)定下來， 開始時(shí)， 放大 電路的放大倍數(shù)Av仁；為可變電阻值的上部分值，為下部分值，當(dāng)Av1略大于3 時(shí)，達(dá)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(dāng)調(diào)整負(fù)反 饋的強(qiáng)弱，使Av1的值在起振時(shí)略大于3,達(dá)到穩(wěn)定是Av仁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(huì)因振幅的增長(zhǎng)，致使放大器件工 作在非線性區(qū)域，波形將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。二極管對(duì)A1的輸出電壓進(jìn)行限幅再進(jìn)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

11、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0 ww 1K,所以ww由此可見。滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)功能對(duì)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 vv時(shí)）圖2壓控帶通濾波電路=1kHz;設(shè)計(jì)一個(gè)壓控電壓源二階打通濾波器，指標(biāo)要求為：通帶中心頻率 通帶電壓

12、放大倍數(shù)=2;通帶帶寬厶f=50Hz。設(shè)計(jì)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：=2nX 1000（）通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：=2取C=（卩F）=（卩F）=卩F為使電路穩(wěn)定工作必須要求v 3,取由此可算出電阻=Q =159155Q取標(biāo)稱值=160kQ將將C茯F,=160k Q, =2=2 n代入（）得到關(guān)于的二次方程:=0可解得 =5719 Q =11438 Q取標(biāo)稱值Q = Q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Multisi

13、m 軟件中的電路圖、 LMJ2JA>(2 IQnFVEE:VFE12V打開仿真開關(guān)，調(diào)節(jié) W1調(diào)節(jié)示波器時(shí)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.KFG-LLV1n6R25.76 kfl1 Vrm?1QQQ Hi"AvccR1isoknC2-Hl-U刊F半 2CnFU1ALM324AM-±-VEEre W-47kQ,R4 ：47kC如上所示為壓控電壓源二階帶通濾波器電路¥TT2-T11.075 5LQ7t 5UOOO ms逋道/6.241 V6.21 Y-9.570 pV迪道B805.027 mVUa

14、5.QE7 mV -27,919 pV吋諭越1面苦Rr也發(fā)比例 l&OOus/Div 專AJSakS 片比例 |20 y/Div比洌 |20 V/Divx 65I5y位置 h|o電平y(tǒng)tT 加歳 B/A I A/fi IAC| 0 |dc類型反冋保存 Ext. Trager上圖為對(duì)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(jì)要求，所選元器件參數(shù)沒有錯(cuò)誤, 可以進(jìn)行實(shí)際制作階段。第四章 焊接

15、并調(diào)試電路。根據(jù)所需列表，購(gòu)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管流極放大器錫線其它16K*2100K*1卩F*22LM324一圈萬用板210K*31K*1 F*2塊47K*2導(dǎo)線若干160K*1萬用表1*1個(gè)*1電烙鐵1個(gè)利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)壓控電壓源二階帶通濾波器進(jìn)行測(cè)試，直至設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求。第五章總結(jié)在本小組三個(gè)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(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)電路測(cè)試效果良好。 在課程設(shè)計(jì) 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)

16、。本次課設(shè)的題目為二階帶通濾波器設(shè)計(jì) ，是我們本學(xué)期所學(xué)課程測(cè)控 電路里的一個(gè)重要內(nèi)容，但縱觀整個(gè)設(shè)計(jì)過程，我們既需要理解并運(yùn)用測(cè)控 電路里的知識(shí)，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(jìn)行仿真，可謂是把大一到大三的知識(shí)都用了個(gè)遍。 通過這次課程設(shè)計(jì)， 我們?nèi)瞬粌H對(duì)課本的知識(shí)有了更加深入的認(rèn)識(shí)， 也體會(huì)到 各種知識(shí)如何在實(shí)際的設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，還體會(huì)到小組成員間應(yīng)該如何進(jìn)行配合。在實(shí)驗(yàn)之前， 我們?nèi)诉M(jìn)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(duì)我們實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確開展提供了不少幫助。 在進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)候， 不斷發(fā)現(xiàn)問題， 解決

17、問題， 仔細(xì)尋找解決問題的辦法。 我們學(xué)會(huì)了對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的 帶通濾波器的性能進(jìn)行分析， 找出其存在的問題。 由于濾波器的中心頻率對(duì)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(shí)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(zhǔn)確性。 在這次電路設(shè)計(jì)中， 我們先計(jì)算電路參數(shù)， 然后利用 multisim 進(jìn)行虛擬仿真，在計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，直至設(shè)計(jì)出符合要 求的電路， 并利用軟件自帶的仿真功能對(duì)電路進(jìn)行分析， 直至得到設(shè)計(jì)出所要求 的結(jié)果。由最后電路的測(cè)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(jì)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(zhǎng)， 不僅在各自的動(dòng)