模擬電子技術(shù)課程設(shè)計二階有源帶阻濾波器-阻帶頻率2000-4

2013級《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書二階有源帶阻濾波器院、部：電氣與信息工程學院學生姓名：學號：指導(dǎo)教師：職稱副教授專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣本班完成時間：2015年X月X日《 模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計任務(wù)書學院：電氣與信息工程學院適應(yīng)專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息工程指導(dǎo)教師學生姓名課題名稱二階有源帶阻濾波器內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個二階有源帶阻濾波器，帶阻濾波電路是用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段以外的所有信號通過。這種濾波電路經(jīng)常用于電子系統(tǒng)抗干擾。二、設(shè)計內(nèi)容1、電路設(shè)計方案比較；2、電路參數(shù)分析計算和選擇；

3、單元電路設(shè)計并進行分析；4、實物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計報告。擬達到的要求或技術(shù)指標一、基本要求與指標1、設(shè)計出的二階有源帶阻濾波電路可以實現(xiàn)抑制和衰減某一頻段的信號。二、擴展要求與指標2、可以減少對電網(wǎng)的損害。進度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.15~6.19下達任務(wù)書；針對課題任務(wù)書，收集資料。2015.6.20~6.21針對課題任務(wù)，進行電路設(shè)計與仿真。2015.6.22~6.23進行電路制作與調(diào)試。2015.6.24~6.25進行說明書書寫。2015.6.26實物答辯與說明書收集。主要參考資料[1]康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，[2]劉銘，陳世利.電子線路綜合設(shè)計與實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，[3]胡宴如.模擬電子技術(shù)(第二版)[M].北京：高等教育出版社，[4]于衛(wèi).模擬電子技術(shù)試驗及綜合實訓教程[M].武漢：華中科技大學出版社，指導(dǎo)教師意見簽名：年月日教研室意見簽名：年月日《 模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計任務(wù)書學院：電氣與信息工程學院適應(yīng)專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息工程指導(dǎo)教師學生姓名課題名稱直流穩(wěn)壓電源內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個直流穩(wěn)壓電源，當輸入為有效值220V的交流電壓時，能產(chǎn)生±12V、±9V、±5V三組直流電壓輸出。二、設(shè)計內(nèi)容1、電路設(shè)計方案比較；2、電路參數(shù)分析計算和選擇；

3、單元電路設(shè)計并進行分析；4、實物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計報。擬達到的要求或技術(shù)指標設(shè)計要求及技術(shù)指標1、要求輸入電壓為有效值220V、50HZ的市電交流電壓，電源輸出電壓為±12V、±9V、±5V。2、最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓△VOP-P≤5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5%。二、擴展要求與指標1、能顯示電源輸出電壓值，00.0-12.0V；2、要求有短路過載保護。進度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.15~6.19下達任務(wù)書；針對課題任務(wù)書，收集資料。2015.6.20~6.21針對課題任務(wù)，進行電路設(shè)計與仿真。2015.6.22~6.23進行電路制作與調(diào)試。2015.6.24~6.25進行說明書書寫。2015.6.26實物答辯與說明書收集。主要參考資料[1]康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，[2]劉銘，陳世利.電子線路綜合設(shè)計與實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，[3]胡宴如.模擬電子技術(shù)(第二版)[M].北京：高等教育出版社，[4]于衛(wèi).模擬電子技術(shù)試驗及綜合實訓教程[M].武漢：華中科技大學出版社，指導(dǎo)教師意見簽名：年月日教研室意見簽名：年月日摘要二階有源帶阻濾波器是有源濾波器里的一種，它由有源器件（晶體管或集成運放）和電阻、電容構(gòu)成的濾波器稱為RC有源濾波器。濾波器分為一階、二階和高階有源濾波器。階數(shù)越高，其幅頻特性越接近于理想特性，濾波器的性能越好。濾波器的功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率的范圍以外的信號，可用在信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面。根據(jù)濾波器所能通過信號的頻率范圍或阻止信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。課題設(shè)計制作一個中心頻率為100Hz，帶寬越窄越好，幅頻特性、相頻特性越理想越好的二階有源帶阻濾波器。通過上網(wǎng)查閱相關(guān)資料和詢問老師的意見，設(shè)計首先確定了電路方案，然后進行電路參數(shù)的計算。在保證設(shè)計正確之后，使用Multisim12進行仿真，分析了仿真的數(shù)據(jù)、結(jié)果及波形圖，然后進行電路實物圖的制作，并按照要求對實物圖進行調(diào)試與測試。當測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致時，證明課程設(shè)計基本完成。關(guān)鍵詞：二階有源帶阻濾波器；中心頻率；Multisim12；AD軟件目錄TOC\o"1-3"\h\u287691緒論 緒論1.1設(shè)計背景及意義隨著科技與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種基于電力電子技術(shù)的非線性裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，使得諧波危害日益嚴重。為了保證電力系統(tǒng)的安全運行，必須對諧波污染進行治理，以改善電能質(zhì)量。就當前的工業(yè)現(xiàn)實而言，抑制諧波的基本手段是裝設(shè)各類濾波器補償裝置。無源濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，但是易受到電網(wǎng)阻抗和遠行狀態(tài)影響，與系統(tǒng)發(fā)生諧振，且僅能補償固定頻率的諧波。但有源濾波器則可以解決這些問題，并且可以自動跟蹤補償變化的諧波，具有高度可控性。有源濾波器是一種常用的信號處理裝置，其在信息處理，數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面都有著非常廣泛的應(yīng)用前景和價值。相比于無源濾波器，有源濾波器的優(yōu)勢在于幅頻特性好，幅頻特性曲線相對陡峭，器件體積小等。有源濾波器是改善供電質(zhì)量，凈化電網(wǎng)污染的一種有效裝置。因此，有源濾波器在未來有很大的發(fā)展前景。1.2設(shè)計要求1.2.1二階有源帶阻濾波器設(shè)計要求1、中心頻率100Hz；2、帶阻頻帶越窄越好；3、幅頻特性、相頻特性曲線盡可能接近理想化；1.2.2直流穩(wěn)壓電源設(shè)計要求1、要求輸入電壓為有效值220V、50HZ的市電交流電壓，電源輸出電壓為±12V、±9V、±5V。2、最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓△VOP-P≤5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤5%。2系統(tǒng)設(shè)計方案2.1方案一：壓控電壓源二階帶阻濾波器壓控電壓源二階帶阻電路，它是雙T型網(wǎng)絡(luò)且具有選頻特性。它的優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。電路圖如圖1所示： 圖1壓控電壓源二階帶阻有源濾波器原理電路的傳輸函數(shù)：（1）其中，（2）（3）（4）（5）（6）式中，既是特征角頻率，也是帶阻濾波電路的中心角頻率；如果=1，則Q=0.5，增加,Q將隨之升高,當趨近2時，Q趨向無窮大。因此,越接近2，越大，可使帶阻濾波電路的選頻特性越好，即阻斷的頻率范圍越窄。圖2為帶阻濾波器電路的幅頻特性曲線圖。圖2帶阻濾波器電路的幅頻特性2.2方案二：無限增益多路負反饋二階帶阻濾波器無限增益多路負反饋電路，它的運放為反相輸入，輸出端通過C1、R1形成兩條支路。他的優(yōu)點是電路具有倒相作用，使用元件較少；缺點是調(diào)解增益時會對參數(shù)有影響。其電路圖如圖3所示：圖3無限增益多路負反饋二階帶阻濾波器電路的傳輸函數(shù)：(7)其中：(8)(9)(10)(11)有源濾波器可以突出頻率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達到提高信噪比或選頻的目的，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余音律范圍，信號則能順利通過。2.3方案選擇方案一壓控電壓源型濾波器電路中既引入了負反饋，又引入了正反饋，運算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。因為同相輸入端電位控制由集成運放和反饋網(wǎng)絡(luò)組成一個增益可控的電壓控制電壓源，故稱之為壓控電壓源濾波器，簡稱VCVS濾波器。巴特沃斯型二階壓控電壓源型帶阻濾波器Q值較高，改變，可以調(diào)整，且BW或Q保持不變，缺點是Av=1。方案二無限增益多路負反饋型濾波器電路有兩條負反饋支路，并且運算放大器是作為一個無限增益器件來使用的，所以稱為無限增益多路反饋電路。運算放大器為反相接法。巴特沃斯型無限增益多路負反饋型帶阻濾波器Q值高，可用電位器代替進行調(diào)整，改變可調(diào)整BW而不影響，到地的直流通路已由完成。且因為無限增益多環(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。并且壓控電壓源法元器件排列對稱，設(shè)計簡單，調(diào)試方便，因此，本次設(shè)計選擇方案一。3元器件的選擇與參數(shù)計算3.1選擇運放Op07是一種高精度運放，它具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度和長期穩(wěn)定等特點?？梢杂糜谖⑷跣盘柕姆糯?，使用雙電源能夠提升其使用效果。其引腳圖如圖4所示：圖4Op07管腳介紹圖4為集成運放Op07管腳介紹圖，集成運放Op07有8個腳，1、8腳為調(diào)零，2腳為反相端，3腳為同相，4腳接地，5腳為空腳，6腳為輸出端，7腳接電源。3.2選擇電容器電容標稱值的分檔較少，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1初選電容值。表1濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應(yīng)關(guān)系f(Hz)C(F)宜選用微法級的電容，在常用的微法級的電容當中，設(shè)計使用了C=1uF的電解電容.3.3電阻參數(shù)的計算因為二階有源帶阻濾波器給定的中心頻率=100Hz。根據(jù)公式：=（1）可以計算出R=1.6k。但是由于實際條件的限制，設(shè)計并沒有使用1.6k的定值電阻，選擇是20k的電位器。3.4直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計3.4.1設(shè)計構(gòu)想穩(wěn)壓電源電路是利用能夠自動調(diào)整輸出電壓變化的電路來使輸出的電壓不隨電網(wǎng)電壓、溫度或負載的變化而變化，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。設(shè)計中，通過變壓器將電網(wǎng)電壓變?yōu)橐粋€電壓比較小的正弦交流電壓，再由整流橋?qū)㈦p向脈動的正弦波交流電變?yōu)閱蜗蛎}動的直流電。然后通過濾波電路使單向脈動的直流電變?yōu)橐粋€紋波電壓，趨于平穩(wěn),最后由穩(wěn)壓器輸出一個直流電。3.4.2設(shè)計原理穩(wěn)壓電源電路主要由變壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等模塊構(gòu)成。首先用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低，獲得所需要的電壓，然后整流變成單項直流電，然后再濾除交流成分，最后經(jīng)過穩(wěn)壓供給負載電路。直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)壓過程如圖5所示：圖5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計流程圖課題要求設(shè)計一個直流穩(wěn)壓電源，當輸入為有效值220V的交流電壓時，能產(chǎn)生±12V、±9V、±5V三組直流電壓輸出，最大輸出電流為I0max=500mA。3.4.3變壓器的選擇根據(jù)三端固定式集成穩(wěn)壓器的特點，一般要求最小的輸入電壓、輸出電壓為。課程設(shè)計要求把電網(wǎng)電壓220V降為12V，所以選用220~12V雙輸出變壓器。3.4.4整流器的選擇穩(wěn)壓源設(shè)計要求最大輸出電流為I0max=500mA，整流二極管的參數(shù)應(yīng)滿足最大整流電流I＞1.5I0max=0.75A，最大反向電壓應(yīng)大于變壓器副邊輸出電壓。所以選用型號2W10的整流橋。其全波整流原理圖如圖6所示。圖6全波整流原理圖3.4.5電容器的選擇濾波電容 (1)可知 (2)式中RL為C右邊的等效電阻，應(yīng)取最小值，T為電流電源的周期。 將T=20ms,Imax=500mA代入式（1），可得。將，T=20ms，得出C=1515μF。可見，C容量較大，應(yīng)選電解電容，實際容量選4700μF，并且為電解電容。其耐壓值為50V。消振電容：消振電容靠近濾波器，起消振作用，一般選擇消振電容為104的陶瓷電容。（3）旁路電容，當輸出電壓升高時，可進一步抑制紋波，防止紋波的放大，一般選擇旁路電容電容值為220μF。也是電解電容。3.4.6選擇三端穩(wěn)壓器因為要求輸出電壓為正負12V，正負9V和正負5V。所以使用固定三端穩(wěn)壓器的型號LM7812，LM7809，LM7805，LM7912，LM7909，LM7905。4電路仿真4.1電路仿真圖根據(jù)第3章的參數(shù)計算所設(shè)計的雙T型網(wǎng)絡(luò)二階有源帶阻濾波器仿真如圖7所示，它由若干電阻、電容和一個集成運放構(gòu)成。圖7雙T型網(wǎng)絡(luò)二階有源帶阻濾波器multisim仿真4.2仿真結(jié)果分析設(shè)置函數(shù)發(fā)生器，它輸入的波形為正弦波，輸入頻率為100Hz,輸入振幅為400mV。占空比為50%，如圖8所示。圖8信號發(fā)生器設(shè)置品質(zhì)因數(shù)Q=2時的波形圖如圖9所示。圖9波形圖在分貝值為-2.95dB，它的帶寬下限頻率為41.831Hz。阻帶下限圖如圖10所示。,圖10阻帶下限在分貝值為-3.052dB，它的帶寬上限頻率為240.837Hz。阻帶上限圖如圖11所示。圖11阻帶上限由仿真的結(jié)果可以看出，在輸入頻率為101.01Hz的時，衰減為39.08dB。其頻率值約在100Hz左右，通帶增益,可以算出，。當輸入100Hz，400mV的正弦波信號時，從示波器的曲線可以明確地看出，輸出信號相比于輸入信號來說，有著非常明顯的衰減，設(shè)計的二階有源帶阻濾波器把輸入100Hz的頻率成功阻止它的輸出。再通過波特圖分析帶寬，大約在-3dB處時，頻率分別為41.831Hz和240.837Hz，則帶寬：240.837-41.831=200.006。根據(jù)帶寬和品質(zhì)因數(shù)公式：B=2（2-Aup）（1）（2）根據(jù)（1）式和（2）式，可以求得帶寬B=200.006,品質(zhì)因數(shù)Q=0.5。5電路制作與調(diào)試5.1電路板的制作啟動PCB制版軟件后，先新建元件及做好封裝。其次，分別畫出二階有源帶阻濾波器和直流穩(wěn)壓電源的原理圖，然后導(dǎo)入到PCB中進行排版布線。完成布線后打印在轉(zhuǎn)印到銅板上。然后腐蝕，便得到所需的電路板。PCB圖見附錄。制板時應(yīng)注意以下幾點：（1）元件封裝時孔距的設(shè)計及元件空間位置的大小。否則，元器件無法正常安裝；（2）排版時要盡量做到對稱美觀；完成打印后應(yīng)注意是否出現(xiàn)斷痕，若有應(yīng)及時用記號筆涂抹以免腐蝕后出現(xiàn)斷路。（3）腐蝕印制板時應(yīng)注意不能過度腐蝕，如果板子過度腐蝕，可以用錫把斷痕焊接。（4）焊接元器件前應(yīng)用萬用表檢查一遍印制板上的電路，保證電路是處于通路狀態(tài)。（5）焊接各種元器件時，應(yīng)注意元器件的極性，在焊接之前，必須弄清楚元器件的正負極。5.2直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源有6種不同的電壓輸出，分別是正負12V，正負9V和正負5V。用萬用表測出6個輸出端電壓分別為：12.42V，9.23V，4.99V，-12.41V，-9.06V，-5.02V。和理論的輸出電壓稍有偏差，可能與測量時的溫度有關(guān)。經(jīng)檢查，電路符合設(shè)計要求，設(shè)計完成。5.3RC二階有源帶阻濾波器的調(diào)試和測試5.3.1調(diào)試過程將集成運放Op07的4腳接負12V電源，7腳接正12V電源。輸入端連入信號發(fā)生器，輸出端連入示波器。直流穩(wěn)壓電源正12V的端口接入集成運放的7腳，負12V的端口接入集成運放的4腳，連接好電路后，在保證電路正常的情況下通電，通電后，觀察示波器的圖像。信號發(fā)生器輸入的頻率從10Hz到1000Hz，輸入波形為正弦波，輸入幅值為400mV。觀察示波器上的輸出波形和幅值。5.3.2測試結(jié)果二階有源帶阻濾波電路各參數(shù)測試結(jié)果如表3所示。表3RC二階有源帶阻濾波器測試數(shù)據(jù)輸入頻率（Hz）輸入幅值（mV）輸出頻率（Hz）輸出幅值（mV）增益分貝值（dB）1040011.023840.96-0.413040030.463490.872-1.135040049.392750.687-3.347040070.171680.42-7.349040090.15860.215-13.56100400101.91480.12-18.78200400203.122190.547-5.34300400300.263060.765-2.55350400350.273280.82-1.76400400405.363310.827-1.54600400602.343620.905-0.94700400703.303680.92-0.72800400802.143760.94-0.54900400901.243760.94-0.5410004001003.363760.94-0.54通過記錄的數(shù)據(jù)可以看出，在保持輸入幅度為400mv不變的情況下，隨著輸入頻率的慢慢增大，越來越接近中心頻率100Hz時，輸出幅值、分貝值都不斷的減小。當輸入頻率為100Hz時，輸出幅值達到最小值48mv，分貝值也達到最小值-18.78。當輸入頻率從100Hz增加時，它的輸出幅值也隨之增加。當輸入頻率達到800Hz時，它的分貝值和輸出幅值基本保持不變。所以，從中不難看出輸入頻率為100Hz時，是衰減程度最大的。說明此設(shè)計成功的把100Hz那個頻率波陷下去了，阻止了這個頻率的通過。與仿真結(jié)果相比，在中心頻率100Hz時，仿真的分貝值為-39.08dB，但是實際分貝值才為18.78dB，與理論值有比較大的差距，但是在整體方面達到了設(shè)計的要求。5.3.3誤差分析（1）集成運放Op07不是理想的，它工作時會對實驗結(jié)果造成一定的影響。（2）儀器的精準度不夠，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)會出現(xiàn)誤差。例如；設(shè)計中電位器的調(diào)節(jié)會影響實驗結(jié)果。（3）器件選擇方面，元器件的參數(shù)和理論計算有些差別，導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)誤差。（4）輸入的電壓并不是穩(wěn)定的12V，可能對實驗結(jié)果造成一定的影響。結(jié)束語通過此次的課程設(shè)計，讓我們更加扎實的了解有關(guān)模擬電子技術(shù)方面的知識，也鍛煉了我們的實踐能力，讓我們從中可以看出自己的不足之處。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓練，雖然我們在這次的實踐訓練中遇到了各種問題，但是經(jīng)過老師一遍一遍的指導(dǎo)，我們耐心積極去更改錯誤的地方，終于，成功的完成了本次的課程設(shè)計。在這次的課程設(shè)計中，二階有源帶阻濾波裝置雖然結(jié)束了，也留下了很多遺憾，因為由于時間的緊缺和許多課業(yè)的繁忙，并沒有做到最好，但是，最起碼我們沒有放棄，它是我們的驕傲！相信以后我們會以更加積極地態(tài)度對待我們的學習、對待我們的生活。我們的激情永遠不會結(jié)束，相反，我們會更加努力，努力的去彌補自己的缺點，發(fā)展自己的優(yōu)點，去充實自己，只有在了解了自己的長短之后，我們會更加珍惜擁有的，更加努力的去完善它，增進它。只有不斷的測試自己，挑戰(zhàn)自己，才能擁有的成功和快樂！快樂至上，享受過程，而不是結(jié)果！認真對待每一個實驗，珍惜每一分一秒，學到更多的知識和方法，鍛煉自己的能力，這個是我們在實時測量技術(shù)試驗上學到的最重要的東西，也是以后都將受益匪淺的！通過同學們的幫助、和老師的指導(dǎo)，我圓滿的完成了課程設(shè)計的