電子課程設(shè)計報告-二階有源高通濾波器

-.z.長沙學(xué)院電子技術(shù)課程設(shè)計說明書題目有源高通濾波器設(shè)計系(部)電子信息與電氣工程系專業(yè)(班級)光電2班****2013041216指導(dǎo)教師起止日期-.z.模擬電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書系（部）：電子信息與電氣工程系專業(yè)：光電信息工程指導(dǎo)教師：龍英課題名稱有源高通濾波器設(shè)計設(shè)計內(nèi)容及要求1.技術(shù)參數(shù)設(shè)計一個能阻擋低頻信號，輸出高頻信號的有源高通濾波電路；2.設(shè)計要求舉例說明所設(shè)計的有源高通濾波器的廣泛應(yīng)用，并熟悉芯片LM741EN的各引腳功能，以及其應(yīng)用。簡要說明電路的工作原理。計算并選擇電路元件及參數(shù)；仿真調(diào)試電路；（4）撰寫設(shè)計報告及使用說明書。設(shè)計工作量1、系統(tǒng)整體設(shè)計；2、系統(tǒng)設(shè)計及仿真；3、在Multisim或同類型電路設(shè)計軟件中進行仿真并進行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計說明書，包括設(shè)計原理、仿真分析、調(diào)試過程，參考文獻、設(shè)計總結(jié)等。進度安排起止日期（或時間量）設(shè)計內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計方案論證第三天進行具體設(shè)計第四天進行具體設(shè)計第五天編寫設(shè)計說明書指導(dǎo)老師意見年月日教研室意見年月日**學(xué)院課程設(shè)計鑒定表****2013041216專業(yè)光電信息科學(xué)與工程班級2班設(shè)計題目有源高通濾波器設(shè)計指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師意見：評定成績：教師簽名：日期：答辯小組意見：評定成績：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：最終評定等級：教研室主任簽名：日期：說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五等。目錄TOC\o"1-3"\h\u32341一、有源高通濾波器的廣泛應(yīng)用53553二、LM741EN芯片引腳功能及其應(yīng)用513122LM741芯片引腳和工作說明：520290三、有源高通濾波電路介紹及其工作原理6323291.濾波電路6127522.集成運放電路和反饋電路6144243.二階有源高通電路框架圖：822683四、有源高通濾波電路的設(shè)計822190（1）設(shè)計方案85255（2）元器件參數(shù)計算和選擇（截止頻率的選定）818935（3）對設(shè)計的電路進行仿真調(diào)試108997①仿真電路1013008②波特圖幅頻特性1023325③波特圖相頻特性118568④輸入波形與輸出波形比較（紅色為輸入波形，藍色為輸出波形）11275五、有源高通濾波電路的擴展和改良1314574四階有源高通濾波電路13327利用記錄儀觀察波形數(shù)據(jù)1315531六、實訓(xùn)總結(jié)1424741七、參考文獻14有源高通濾波器的廣泛應(yīng)用濾波器是減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、通信發(fā)射機與接收機等電子設(shè)備中，它能減弱或消除諧波的危害，對無用信號盡可能大的衰減，讓有用信號盡可能無衰減的通過，從而糾正信號波形畸變。所以，無論信號的獲取、傳輸，還是信號的處理和交換都離不開濾波技術(shù)。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛，尤其是有源高通濾波器。它在通訊、聲納、測控、儀器儀表等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，有源高通濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣。所以研究濾波器，具有重大意義。LM741EN芯片引腳功能及其應(yīng)用LM741EN是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運算放大器。這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。具有廣泛的共同模式，差模信號*圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢?。由于采用了有源?fù)載，所以只要兩級放大就可以達到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓*圍。電路采用內(nèi)部補償，電路比較簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計了完善的保護電路，不易損壞?？蓮V泛應(yīng)用于各種數(shù)字儀表及工業(yè)自動控制設(shè)備中。LM741EN引腳圖 LM741芯片引腳和工作說明：1和5為偏置(調(diào)零端)2為正向輸入端3為反向輸入端4接地6為輸出7接電源8空腳有源高通濾波電路介紹及其工作原理有源高通濾波電路能傳送輸入信號中有用的頻率成分，衰減或抑制無用的頻率成分，并對有用的頻率成分具有一定的電壓放大作用。有源高通濾波電路包括：濾波電路、集成運放和反饋電路三個部分。其中濾波電路能有效濾除無用頻率信號成分，保留有用頻率信號成分。集成運放和反饋電路使電路具有一定的電壓放大作用，使電路濾波特性趨于理想。1.濾波電路根據(jù)放大電路的頻率響應(yīng)，由于電抗元件及半導(dǎo)體管極間電容的存在，當(dāng)輸入信號頻率過低或過高時，導(dǎo)致放大倍數(shù)數(shù)值變小，產(chǎn)生超前或滯后的相移。而對于高通濾波電路，當(dāng)信號頻率較低時，耦合電容和發(fā)射極電容很大，分壓作用不可忽略。由于耦合電容的存在，對信號構(gòu)成了高通電路，即對于頻率足夠高的信號電容相當(dāng)于短路，信號幾乎毫無損失地通過；而當(dāng)信號頻率低到一定程度時，電容的容抗不可忽略，信號將在其上產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。RC網(wǎng)絡(luò)在電路中起著重要的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。其中，高通濾波電路又分為一階、二階和高階，而高階濾波電路可以由低階濾波電路級聯(lián)而成。其中一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，過渡帶較寬，幅頻特性衰減小，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。增加RC環(huán)節(jié)，變成二階高通可加大衰減斜率。下圖分為一階、二階高通濾波電路。二階高通濾波電路C1二階高通濾波電路C1C2R1R2UoUiRCUiUo一階高通濾波電路2.集成運放電路和反饋電路集成運放應(yīng)用在信號的運算和處理中，以輸入電壓為自變量，以輸出電壓作為因變量。當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓將按一定的數(shù)學(xué)規(guī)律變化，即輸出電壓反映輸入電壓*種運算的結(jié)果。為了實現(xiàn)本設(shè)計的通頻帶放大增益，對于基于理想運放的放大電路，采用“虛短”和“虛斷”的分析方法，運放電路中應(yīng)引入負(fù)反饋，使凈輸入量趨于零，才能保證集成運放工作在線性區(qū)。為了穩(wěn)定輸出電壓，故引入電壓負(fù)反饋。運放電路的特征是從集成運放的輸出端到其反相輸出端存在反饋通路。根據(jù)設(shè)計要求，輸入端是信號電壓源，輸出端要求得到穩(wěn)定的電壓，因此放大電路中應(yīng)引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋或電壓并聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)以上分析，可得電路設(shè)計：通帶增益：特征角頻率：等效品質(zhì)因數(shù)：傳遞函數(shù)：歸一化的幅頻響應(yīng)：巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應(yīng)：歸一化響應(yīng)：3.二階有源高通電路框架圖：集成運放集成運放信號輸出反饋網(wǎng)絡(luò)RC網(wǎng)絡(luò)信號輸入有源高通濾波電路的設(shè)計（1）設(shè)計方案將二階高通濾波電路、集成運放電路和反饋電路按框架圖連接起來，可得到一個二階有源高通濾波器電路，并在輸入和輸出端口分別連上波特圖示儀和示波器觀測輸入信號與輸出信號的變化，調(diào)節(jié)輸入信號的頻率，從而判斷本電路是否起到衰減或抑制截止頻率以下的頻率的作用。下圖為基本電路設(shè)計。（2）元器件參數(shù)計算和選擇（截止頻率的選定）由于理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶，在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實際濾波器的特性曲線無明顯的轉(zhuǎn)折點，故需用更多參數(shù)來描述。理想濾波電路的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。實際的濾波電路往往難以達到理想的要求。如果同時在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都滿足要求就更為困難。由于巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，所以本次設(shè)計采用巴特沃斯有源高通濾波電路。已知截止頻率f=1/2πRC，而巴特沃斯濾波器中Q=0.707，其輸出響應(yīng)幅度表達式為：其中：下面以截止頻率=200Hz設(shè)計電路中器件參數(shù)選擇。①R的值一般選取幾千歐到幾百千歐。電容選用0.033μF則=1/2π*200Hz*0.033μF*=24.11kΩ≈24kΩ②由于是巴特沃斯濾波器，Q=0.707，即：=3-=3-=1.586，則=0.586③平衡電阻必須滿足平衡條件，即并聯(lián)的值為2R，于是有：于是可以解得：≈130kΩ，≈76kΩ.經(jīng)上述計算，可以選定二階高通濾波電路的元件參數(shù)為：=130kΩ=76kΩR=24.11kΩ C=0.033μF（3）對設(shè)計的電路進行仿真調(diào)試①仿真電路根據(jù)設(shè)計的高通濾波電路和計算出來的元件參數(shù)，在Multisim10中對電路進行仿真調(diào)試，其中分別在電路輸入與輸出兩端連上波特圖示儀和示波器，對輸入與輸出的波形進行監(jiān)測，從而驗證電路是否具有衰減或抑制截止頻率以下的頻率的作用。用2V交流電源（頻率可變）作為輸入信號，在電壓信號幅值不變的前提下，改變其頻率，便可測得電路對不同頻率的信號的濾除作用。下圖為Multisim10中的仿真原理圖。②波特圖幅頻特性由右圖可以看出，當(dāng)f小于203.87Hz時，隨f升高而增大。則表明頻率越接近203.87Hz，信號就能通過電路放大并能有完整輸出。則截止頻率約為200Hz，與預(yù)期選定設(shè)置的截止頻率相符。③波特圖相頻特性相頻特性圖如圖所示，截止頻率為203.87HZ,與所設(shè)計相符合。④輸入波形與輸出波形比較（紅色為輸入波形，藍色為輸出波形）（1）當(dāng)輸入頻率小于200HZ的時：f=10HZ時f=50HZ時f=100HZ時f=150HZ時當(dāng)輸入頻率等于200HZ的時：當(dāng)輸入頻率大于200HZ的時：f=250HZ時f=300HZ時當(dāng)輸入信號頻率分別為10Hz、50Hz、100Hz、150Hz時，輸入電壓為2V，而輸出電壓僅有毫伏級別，則可以看出信號被大大抑制，達到了濾波作用。而10Hz、50Hz、100Hz、150Hz小于100Hz，與預(yù)期結(jié)果相符。當(dāng)輸入信號頻率等于截止頻率200Hz時，信號能通過電路并能放大輸出，與預(yù)期結(jié)果相差不大。當(dāng)輸入信號頻率為250Hz、300Hz，輸入電壓為2v時，信號被放大輸出為2.593V、2.633V與預(yù)期相差不大。有源高通濾波電路的擴展和改良由于濾波器的設(shè)計任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的截止頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸增益。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸增益的衰減速度。根據(jù)以上的計算和設(shè)計，完成了簡單的二階有源高通濾波電路。但是由幅頻特性圖可以看出，二階高通濾波器濾波效果不夠好，幅頻特性衰減率較低。故考慮采用更高階數(shù)的有源率波電路，但采用反相輸入設(shè)計時，系統(tǒng)的傳輸函數(shù)較復(fù)雜，故采用同相輸入設(shè)計，階數(shù)過高則電路復(fù)雜，成本高。因此，設(shè)計了一個四階有源濾波電路擴展改良。四階有源高通濾波電路利用記錄儀觀察波形數(shù)據(jù):實訓(xùn)總結(jié)有源高通濾波電路能傳送輸入信號中有用的頻率成分，有效衰減或抑制無用的頻率成分，并對有用的頻率成分有一定的電壓放大作用。有源高通濾波電路應(yīng)包括：濾波電路、集成運放、反饋電路三個部分。濾波電路能有效濾除無用頻率信號成分，保留有用頻率信號成分。集成運放和反饋電路使電路具有一定的電壓放大作用，使電路濾波特性趨于理想。二階有源高通濾波電路在濾波效果、幅頻特性衰減率方面相對高階段濾波電路要差。但是通過兩節(jié)二階濾波電路級聯(lián)可構(gòu)成四階甚至跟高階的濾波電路，使其幅頻特性曲線更接近理想的特性。在使用Multisim10軟件中進行仿真實驗時，我對二階高通濾波電路的頻率特性和不同頻率下的輸出信號進行了分析，電路能有效濾除或衰弱截止頻率為200Hz以下的電壓信號，能完整傳送頻率200Hz以上的電壓信號，并對其有一定放大作用，最終結(jié)果基本達到了預(yù)期要求。但是個人覺得本次設(shè)計還存在很多不足，在分析運算放大器時，是將運放當(dāng)成理想運放來考慮的，所以在實際中肯會有些許偏差。實際電路中會與設(shè)計中的一些電阻或電容的參數(shù)有些偏差，可能導(dǎo)致截止頻率少許偏高或偏低。另外，對于高于截止頻率的信號，雖然電路能完整的輸出并一定的放大，但是會有或多或少的相位移。若能很好的控制電路元器件的參數(shù)使電路完整輸出高于截止頻率的信號成分并不產(chǎn)生較大相位移，則有源高通濾波電路的功能就會更趨于理想狀態(tài)。本次課程設(shè)計是我們的第一次課程設(shè)計，在設(shè)計過程中我們遇到許多不懂的專業(yè)知識，大家都是在網(wǎng)上查閱了解，所以在以后的實踐設(shè)計中希望老師能夠多加指導(dǎo)，這樣可以幫我們節(jié)省更多時間，提高做設(shè)計的效率，但也因為這樣才使得我們有更多的機會去獨立思考和實踐。希望學(xué)校以后能夠給我們更多這樣的實