濾波器模電課程設(shè)計報告

1、模電課程設(shè)計報告 學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè) 電子信息 班級 學(xué)號 姓名 帶通濾波器目錄第一章 摘要.3第二章 設(shè)計任務(wù)和求.3 2.1 設(shè)計任務(wù).3 2.2設(shè)計要求3第三章 總體方案選擇論證.4第四章 單元電路的設(shè)計.64.1 直流電源的設(shè)計64.2 帶通濾波器主體電路84.3 帶寬檢測電路25第五章 總體電路圖27第六章 組裝與調(diào)試28 6.1儀器列表28 6.2數(shù)據(jù)波形29 6.3組裝調(diào)試方法技巧.29 6.4故障排除30第七章 電路特點(diǎn)與改進(jìn)意見31第八章 器件列表.32第九章 參考文獻(xiàn).32第十章 收獲體會.33第一章摘要濾波電路是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電

2、子裝置。工程上常常用它來作信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾。濾波器電路的功能主要是傳送輸入信號中有用的頻率成分。本文主要討論設(shè)計一個由運(yùn)算放大、R和C組成的具有反饋的有源帶通濾波器。在正文中具體闡述了設(shè)計有源帶通濾波器的過程及方法，并且運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行仿真和分析最后進(jìn)行硬件的制作與調(diào)試?！娟P(guān)鍵詞】帶通濾波器反饋 Multisim第二章設(shè)計任務(wù)和求2.1 設(shè)計任務(wù)采用高通濾波器和低通濾波器級聯(lián)的設(shè)計方案實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的設(shè)計,通過多級反饋,減少干擾信號對濾波器的影響。為了便于檢測濾波電路的通帶特性,設(shè)計一個帶寬檢測電路,通過發(fā)光二極管的亮滅檢測電路的帶寬范圍。2.2 設(shè)計要求(1)輸入信號

3、:有效值為1V 的電壓信號(2)輸出信號中心頻率f0通過開關(guān)切換,分別為1kHz和10kHz,誤差5%以內(nèi);(3)帶通濾波器帶寬:BW=(fH -fL ),增益符合要求情況下帶寬盡可能窄;(4)用LED 發(fā)光二極管顯示上下限截止頻率。第三章總體方案選擇論證總體方案選擇的論證。內(nèi)容含曾考慮過的各方案框圖、簡要原理和優(yōu)缺點(diǎn)以及所選定方案之理由等。方案一由于實(shí)驗(yàn)要求Q值及增益K值均較小，所以可以使用無限增益型濾波器電路，該電路比較簡單，是常用的反相增益濾波器。具有穩(wěn)定性好和輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，易于與其它電路級聯(lián)構(gòu)成高階濾波器。電路圖及計算公式如下。但是該設(shè)計沒有反饋回路，不夠穩(wěn)定。方案二電路原理框圖：

4、該實(shí)驗(yàn)設(shè)計由兩部分組成。一是主電路部分，即帶通濾波器電路，實(shí)現(xiàn)信號的濾波,由高通濾波器、低通濾波器、反饋通路組成;二是帶寬檢測電路,檢測所設(shè)計的濾波器的頻帶寬度,驗(yàn)證濾波器參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性,由線性檢波濾波電路和比較顯示電路組成。 與方案一相比，該電路有明顯的穩(wěn)定性。第四章單元電路的設(shè)計4.1 直流電源的設(shè)計 電路中，我們需要15V的直流電壓源，需將220V，50hz的交流電轉(zhuǎn)化為15V直流電。1. 如下圖所示，直流電源是由變壓電路，單項整流電路，濾波電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成。其中，變壓電路來改變電壓值，這里既降壓。整流電路是將交流信號變?yōu)橹绷髅}動信號，并經(jīng)過濾波電路減小脈動。為防止負(fù)載變化對輸出信號

5、的影響，在最后環(huán)節(jié)加上穩(wěn)壓電路，使輸出電壓基本保持不變。 設(shè)變壓器副邊有效值為U2，單相整流電路輸出電壓為Uo(AV),負(fù)載電流為IL(AV)?？紤]到電壓波動范圍為±10%，二極管極限參數(shù)需滿足 所以二極管的選擇時，其耐壓值應(yīng)不下于24V。所設(shè)計的電路圖如下所示：對于穩(wěn)壓部分，我們采用串聯(lián)穩(wěn)壓電路，因?yàn)榇?lián)穩(wěn)壓電路具有良好的負(fù)載調(diào)整率，穩(wěn)定度高，準(zhǔn)確度高。4.2 帶通濾波器主體電路通過三個集成運(yùn)算放大器分別對輸入信號一次實(shí)現(xiàn)高通、帶通和低通,再將高通濾波輸出波形和低通濾波輸出波形反饋到最初的集成運(yùn)算放大器處, 以減少干擾信號對濾波器的影響。由于所要設(shè)計的帶通濾波器中心頻率可調(diào),因此,

6、需對電路中的電阻進(jìn)行合理選擇。參數(shù)計算如下：設(shè)輸入電壓為vi，三個運(yùn)放出來的電壓分別為v1，v2，v3。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的原則,可得到以下方程組:vi-v1+v32=v1+v32-v2v1=-jwR1C1v2v3=-v2jwR2C2v2vi=-SR2C2S2R1C1R2C2+SR2C2+1所以w0=1R1C1R2C2Q=R1C1R2C2且v2vi=-jww0Q-w2+jww0Q+w02v2vi=-1-jf0fQ+jff0Q+1Q=3時，設(shè)C1=C2=1nf， R1=9R2f0=1k時，得R2=53k，R1=477kf0=10k時，得R2=5.3k，R1=47.7k且Q=3，v2vi=12

7、時f0f=37+16或37-16即fH=37+16f0=1.18f0, fL=37-16f0=0.847f0帶寬為fH-fL=f031k電路圖如下所示：仿真結(jié)果如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號經(jīng)過帶通濾波器所得信號波形與原信號反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時，頻率為1khz，仿真誤差為0%。如圖易得，增益在-3dB時，上限頻率為1.188khz。如圖易得，增益在-3dB時，下限頻率為852.174hz。帶寬為335hz，仿真誤差為0.6%。10k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為10k，輸入信號經(jīng)過帶通濾波器所得信號

8、波形與原信號反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時，頻率為10khz，仿真誤差為0。如圖易得，增益在接近-3dB時，上限頻率為11.884khz。如圖易得，增益在-3dB時，下限頻率為8.551khz。帶寬為33.3hz，仿真誤差為0。Q=1時，設(shè)C1=C2=1nf， R1=R2f0=1k時，得R2=159k，R1=159kf0=10k時，得R2=15.9k，R1=15.9k且Q=1，v2vi=12時帶寬為fH-fL=f01k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號經(jīng)過帶通濾波器所得信號波形與原信號反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出

9、，輸入輸出幅值幾乎均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時，頻率為1khz，仿真誤差為0%。如圖易得，增益在-3dB時，上限頻率為1.616khz。如圖易得，增益在-3dB時，下限頻率為616.28hz。帶寬為1khz，仿真誤差為0。10k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為10k，輸入信號經(jīng)過帶通濾波器所得信號波形與原信號反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時，頻率為10.116khz，仿真誤差為1.16%。如圖易得，增益在-3dB時，上限頻率為16.163khz。如圖易得，增益在-3dB時，下限頻率為6

10、.163khz。帶寬為10k，仿真誤差為0。Q=0.5時，設(shè)C1=C2=1nf， 4R1=R2f0=1k時，得R2=318.4k，R1=79.6kf0=10k時，得R2=31.84k，R1=7.96k且Q=1，v2vi=12時帶寬為fH-fL=2f01k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號經(jīng)過帶通濾波器所得信號波形與原信號反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時，頻率為1khz，仿真誤差為0%。如圖易得，增益在-3dB時，上限頻率為2.407khz。如圖易得，增益在-3dB時，下限頻率為418.606hz。帶寬為1.98

11、9khz，仿真誤差為0.55%。10k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號經(jīng)過帶通濾波器所得信號波形與原信號反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時，頻率為10.233khz，仿真誤差為2.33%。如圖易得，增益在-3dB時，上限頻率為24.07khz。如圖易得，增益在-3dB時，下限頻率為4.128khz。帶寬為19.942khz，仿真誤差為0.29%。4.3 帶寬檢測電路帶寬檢測電路主要由峰值檢測電路和比較器(運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn))組成。峰值檢測電路中，兩個波形大小與上圖Ra，Rb，Rc以及Ra，Rb，Rc的阻值選擇有關(guān),

12、經(jīng)過濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓, 且Rc=Ra+Rb，輸出直流電路與輸入峰值之比為RaRc。電路中RaRc=0.5，為了檢測電路的準(zhǔn)確性，峰值檢測波形A，B通道比例選擇為2:1，所得波形如下圖所示比較器中，帶通濾波輸出信號v2 和外部輸入信號vi 分別經(jīng)過峰值檢測電路后，所得的直流信號進(jìn)行比較,并將比較結(jié)果用發(fā)光二極管的亮滅狀態(tài)顯示。調(diào)節(jié)滑動變阻器，當(dāng)其為70%時，帶通濾波器輸入信號的頻率為帶通濾波器的上下限頻率時,比較器的兩個輸入信號大小相同,發(fā)光二極管處于亮滅之間;當(dāng)信號頻率處于上下限頻率之間時,發(fā)光二極管熄滅;反之,二極管點(diǎn)亮。通過上述檢測過程,易得BW= fH-fL第五章總體電路圖通過直流電源

13、部分，可以得到電路中所需要的15V直流電壓。濾波電路中，第二個運(yùn)放后的節(jié)點(diǎn)可得到我們所需要的帶通濾波信號，且所得信號的中心頻率時的波形，以及波特圖在4.2中均已列出。帶寬檢測電路中，峰值檢測電路后得到的是直流信號，且為輸入信號峰值的一半，當(dāng)A，B通道選擇比例為2:1時，可以看到很好的波形效果，結(jié)果如4.3中波形所示。第六章組裝與調(diào)試6.1儀器列表設(shè)備名稱型號出產(chǎn)廠家出產(chǎn)日期雙蹤示波器G0S-6021Good Will Instrument Co., Ltd. (固緯電子實(shí)業(yè))2004穩(wěn)壓電源GPS-3303（3CH） GW Instek2004函數(shù)發(fā)生器EE-1642B1南

14、京新聯(lián)電子有限公司南京電訊儀器廠制造2000年11月20日萬用表M9803東莞華儀儀表科技有限公司  交流毫伏表AS-2294上海愛儀電子有限公司20036.2數(shù)據(jù)和波形 實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果得Q=3時，1k中心頻率經(jīng)過LED顯示，范圍在993hz與1.001khz之間，實(shí)驗(yàn)誤差為0.3%；帶寬為365hz，誤差為9.6%。由于w0=1R1C1R2C2Q=R1C1R2C2為了在盡量不改變w0的情況下，將Q增大，所以適當(dāng)增大R1減小R2。Q=3，10khz時，中心頻率為10khz，誤差幾乎為0，帶寬為3.1k，誤差為6.9%。為了在盡量不改變w0的情況下，將Q減小，所以適當(dāng)減小R1增

15、大R2。6.3組裝調(diào)試方法技巧組裝調(diào)試過程中，電路按模塊搭建并調(diào)試。電路搭建過程中，面包板倆端設(shè)置為+VCC與-VCC，中間布地線，這樣可以使得電路中的地線盡量短。因?yàn)橹挥心M地，所以一根地線足夠。 另一方面，輸入信號vi與輸出信號v2避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。其他線的布局上，相鄰布線盡量使其垂直，避免平行，以防產(chǎn)生寄生耦合。6.4故障排除帶通濾波器主體電路模塊：故障1：初次搭建電路后，接入電源，發(fā)現(xiàn)353發(fā)燙。原因診斷及排除方法：及時關(guān)掉電源，檢查電路，發(fā)現(xiàn)開關(guān)串聯(lián)，重新搭建電路。故障2：再次修改搭建電路檢查過后，接入電路，測得中心頻率為600hz左右，明顯小于要求中心頻率。原因診斷及

16、排除方法：排除電路錯誤原因后，檢查器件過程中發(fā)現(xiàn)電容明顯大于標(biāo)稱值，為適當(dāng)減小電容，選擇串聯(lián)電容的方法。在減小電容后，又經(jīng)過多次測試適當(dāng)調(diào)整電阻，最后才使得中心頻率較為標(biāo)準(zhǔn)。帶寬檢測電路模塊：故障1：搭建好峰值檢測電路后，用萬能表測得v2為輸入的12時，發(fā)現(xiàn)帶寬為500hz與5khz左右，與理論值相差太多。原因診斷及排除方法：在帶通濾波器主體電路模塊調(diào)試過程中，在調(diào)整中心頻率時，忽略了Q=R1C1R2C2使得Q值太小。于是在調(diào)整Q值時，為了兼顧w0=1R1C1R2C2與Q=R1C1R2C2，在適當(dāng)減小R2時，并適當(dāng)增大R1。最終使得中心頻率域帶寬均在一個比較理想的狀態(tài)。第七章電路特點(diǎn)與改進(jìn)意見

17、 特點(diǎn)：1、 通過多級反饋,減少干擾信號對濾波器的影響。2、 為便于檢測濾波電路的通帶特性,設(shè)計了帶寬檢測電路,通過發(fā)光二極管的亮滅檢測電路的帶寬范圍。改進(jìn)意見：1、 由于電路要求中Q值與增益K均小于1，可以使用無限增益(MFB)型濾波器，這樣不僅可以簡化電路，而且該濾波器具有較好的穩(wěn)定，且輸出阻抗低，易于與其它電路級聯(lián)構(gòu)成高階濾波器，在以后的學(xué)習(xí)中比較容易擴(kuò)展。2、 可以在以后設(shè)計中使用PCB版，增加同學(xué)動手能力。第八章器件列表開關(guān)*2LM353*3電容102*3+470u*1電阻10k*2+20k*2+470k+6.7k+53k+4.7k+5.3k。第九章參考文獻(xiàn)1李祥臣，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教材，北京:清華大學(xué)出版社,2005.2楊素行，清華大學(xué)電子