畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）低通寬帶濾波電路的設(shè)計(jì)

1、泉 州 師 范 學(xué) 院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目 低通寬帶濾波電路的設(shè)計(jì) 物理與信息工程學(xué) 院 電信 專 業(yè) 07 級(jí) （1）班學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 職 稱 教授 完成日期 2011年4月 教務(wù)處 制目錄引言31.濾波器的發(fā)展史42.濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)42.1濾波電路的定義42.2濾波電路的種類42.3有源低通濾波器的種類63 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)63.1 有源低通寬帶濾波電路的指標(biāo)要求63.2 設(shè)計(jì)思路73.3 opa690id的引腳圖73.4 電路原理74.軟件ni multisim10仿真有源低通濾波器84.1 軟件ni multisim10的簡(jiǎn)介84.2 5mhz巴特沃斯的仿真結(jié)果94.3 1

2、0mhz巴特沃斯的仿真結(jié)果105 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析105.1 測(cè)試儀器105.2 測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)35.2.1 5mhz 的數(shù)據(jù)記錄和表格35.2.2 10mhz 的數(shù)據(jù)記錄和表格35.3測(cè)試結(jié)果分析35.4 結(jié)論36 心得體會(huì)3致謝3參考文獻(xiàn)：3英文摘要3附錄17低通寬帶濾波電路的設(shè)計(jì)物理與信息工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（1）班 指導(dǎo)教師 教授【摘要】：本設(shè)計(jì)以集成運(yùn)放opa690id為核心器件，先通過軟件ni multisim10仿真四階有源低通寬帶濾波電路，觀察通頻帶，再根據(jù)仿真結(jié)果制作硬件電路，測(cè)試增益起伏，觀察波形。本文設(shè)計(jì)的四階有源低通寬帶濾波電路原理圖比較簡(jiǎn)單，采用的器件較少

3、，制作比較方便?！娟P(guān)鍵詞】：低通寬帶濾波；opa690id; ni multisim10引言當(dāng)今世界，通信和電子技術(shù)發(fā)展非常迅速，電子技術(shù)也越來越受到人們的重視，而信號(hào)放大或處理領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到濾波電路。對(duì)于信號(hào)的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止其它頻率信號(hào)通過1。在實(shí)際工程中有源低通濾波電路是應(yīng)用廣泛的電路，常用它來進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等，目前在通訊、聲吶、測(cè)控、儀器儀表等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。有源濾波電路一般由rc網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能起濾波作用，與此同時(shí)還可以進(jìn)行放大。組成電路時(shí)應(yīng)選用帶寬合適的

4、集成運(yùn)放。有源濾波電路不適于高電壓大電流的負(fù)載，只適用于信號(hào)處理1。有源濾波電路的優(yōu)點(diǎn)：反饋穩(wěn)定性較好；傳輸阻抗比較低；頻率響應(yīng)較理想；抗干擾能力比較強(qiáng)；電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，帶負(fù)載能力強(qiáng)，級(jí)與級(jí)之間隔離性好，并對(duì)信號(hào)可起放大作用。 1.濾波器的發(fā)展史隨著通信和電子技術(shù)的發(fā)展，濾波器的理論和應(yīng)用也發(fā)展很快，濾波器作為一門發(fā)展學(xué)科，至今已有九十幾年的歷史。1915年德國(guó)k.w.華格納和美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的g.a.坎貝爾分別提出關(guān)于濾波器的論文，被世界公認(rèn)為濾波器的獨(dú)立發(fā)明者。濾波器在60年代的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，主要是在這年代計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的迅速發(fā)展，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、

5、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致rc有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。 無源濾波器在50年代更日趨成熟。而rc有源濾波器的發(fā)展歷史更早，可追溯到1938年斯科特（scoot）的選擇放大器，但是直到1954年林威爾（linvill）用負(fù)阻抗變換器的轉(zhuǎn)移阻抗綜合才實(shí)現(xiàn)

6、了第一個(gè)有源濾波器。從此以后才開始大量研究有源濾波器，1955年出現(xiàn)了應(yīng)用單放大器實(shí)現(xiàn)了有源rc濾波器，為實(shí)用設(shè)計(jì)開辟了新途徑。1965年單片集成運(yùn)放問世,省去制作麻煩,成本高的電感, 為有源濾波器的迅速發(fā)展和普及提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)的濾波器在50年代以后發(fā)展迅速，因此在50年代以后被廣泛應(yīng)用，發(fā)展至今，我國(guó)的濾波器在研制、實(shí)際應(yīng)用有了進(jìn)步和提高，但還是跟國(guó)際的水平有一定的差距。2.濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)2.1濾波電路的定義對(duì)于信號(hào)的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止其它頻率信號(hào)通過1。其主要功能是讓有用的信號(hào)盡可能無衰減通過，對(duì)無用的信號(hào)盡可能大的衰減。

7、2.2濾波電路的種類通常，按照濾波電路的工作頻帶為其命名，分為低通濾波器（lpf）、高通濾波器（hpf）、帶通濾波器（bpf）、帶阻濾波器（bef）和全通濾波器（apf）。設(shè)截止頻率為fp，頻率低于fp 信號(hào)能夠通過，高于fp的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為低通濾波器；反之，頻率高于fp的信號(hào)能夠通過，而頻率低于fp 的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為高通濾波器。低通濾波器可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓；高通濾波器可以作為交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分，只放大頻率高于fp的信號(hào)1。設(shè)低頻段的截止頻率為fp1 ,高頻段的截止頻率為fp2 ，頻率為fp1 到fp2 之間的信號(hào)能夠

8、通過，低于fp1 和高于fp2的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為帶通濾波器；反之，頻率低于fp1 和高于fp2的信號(hào)能夠通過，而頻率低于fp1 到高于fp2之間的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為帶阻濾波器。帶通濾波器常用于載波通訊或弱信號(hào)提取等場(chǎng)合，以提高信噪比；帶阻濾波器用于在已知干擾或噪聲頻率的情況下，阻止其通過。全通濾波器對(duì)于頻率從零到無窮大的信號(hào)具有同樣的比例系數(shù)，但對(duì)于不同頻率的信號(hào)將產(chǎn)生不同的相移1。理想濾波電路的幅頻特性如圖2-1所示。允許通過的頻段稱為通帶，將信號(hào)衰減到零的頻段稱為阻帶。圖2-1 理想濾波電路的幅頻特性（a）lpf的幅頻特性 （b）hpf的幅頻特性 (c) bpf的幅頻特性 (

9、d) bef的幅頻特性四種濾波電路的幅頻特性如圖2-2所示。 （a） （b） （c） （d）圖2-2 四種濾波器的幅頻特性曲線(a) lpf幅頻特性 （b）hpf幅頻特性(b) bpf幅頻特性 （d）bef幅頻特性2.3有源低通濾波器的種類濾波器的品質(zhì)因數(shù)q，也稱為濾波器的截止特性系數(shù)。其值決定于f=f0附近的頻率特性。按照f=f0附近頻率特性的特點(diǎn)，可將濾波器分為巴特沃斯、切比雪夫、和貝塞爾三種類型。圖2-3是三種類型lpf的幅頻特性，巴特沃斯的品質(zhì)因數(shù)為0.707，切比雪夫的品質(zhì)因數(shù)為1，貝塞爾的品質(zhì)因數(shù)為0.56。巴特沃斯濾波器的幅頻特性無峰值，在f=f0附近的幅頻特性曲線為單調(diào)減。切比

10、雪夫?yàn)V波器在f=f0附近的截止特性最好，曲線的衰減斜率最陡。貝塞爾濾波器的過度特性最好，相頻特性無峰值1。圖2-3 三種類型lpf的的幅頻特性3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 有源低通寬帶濾波電路的指標(biāo)要求（1） 3db通頻帶010mhz；（2） 在010mhz通頻帶內(nèi)增益起伏1db；(3) 正弦波信號(hào)波形無明顯失真.3.2 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)為四階低通濾波器。在此電路中，用到兩片集成運(yùn)放opa690id、穩(wěn)壓芯片78lm05、79lm05和一些電容、電阻。opa690id是雙電源供電的通用型單運(yùn)算放大器，輸入電流小輸出電流大，是波形發(fā)生器、濾波器、運(yùn)算器等其它電路的重要組成成分。設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，如果要改

11、變通頻帶頻率，往往要改變較多的元件參數(shù)，而在本次設(shè)計(jì)中通過濾波器設(shè)計(jì)軟件filter solutions和仿真軟件ni multisim10，最終設(shè)計(jì)四階的低通濾波器。3.3 opa690id的引腳圖opa690id引腳說明21，5腳：空腳。2腳：反相端輸入腳。3腳：同相端輸入腳。6腳：輸出端。4腳：負(fù)電源端。7腳：正電源端。8腳：偏差校正。其引腳功能如圖3-1所示：圖3-1 opa690id的引腳圖3.4 電路原理圖3-2是由集成運(yùn)放opa690id及穩(wěn)壓芯片7805、7905和一些電阻電容組成的四階有源低通濾波器3。圖3-2-1 5mhz巴特沃斯的原理圖圖3-2-2 10mhz巴特沃斯的原

12、理圖4.軟件ni multisim10仿真有源低通濾波器4.1 軟件ni multisim10的簡(jiǎn)介 ni multisim10是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ni，national instruments）最新推出的multisim版本，是該公司電子線路仿真軟件ewb（electronics workbench,虛擬電子工作臺(tái)）的升級(jí)版。目前美國(guó)ni公司的ewb包含有電路仿真設(shè)計(jì)的模塊multisim、pcb設(shè)計(jì)軟件ultiboard、布線引擎ultiroute及通信電路分析與設(shè)計(jì)模塊commsim4個(gè)部分，能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生產(chǎn)的全過程。multisim、ultiboard、ultiro

13、ute及commsim4個(gè)部分相互獨(dú)立，可以分別使用。multisim、ultiboard、ultiroute及commsim4個(gè)部分有增強(qiáng)專業(yè)版、專業(yè)版、個(gè)人版、教育版、學(xué)生版和演示版等多個(gè)版本，各版本的功能和價(jià)格有著明顯的差異。ni multisim10用軟件的方法虛擬電子與電工器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”和“軟件即儀器”。ni multisim10是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。ni multisim10的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)室用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源。而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器，如波特

14、圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。ni multisim10具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。ni multisim10可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等?？梢詫?duì)被仿真電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列

15、出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。ni multisim10有豐富的help功能，其help系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能解說，help中這種元器件功能解說有利于使用ewb進(jìn)行cai教學(xué)。另外，ni multisim10還提供了與國(guó)內(nèi)外流行的印制電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件protel及電路仿真軟件pspice之間的文件接口，也能通過windows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進(jìn)行編輯排版，同時(shí)支持vhdl和veriloghdl語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。利用ni multisim10可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電

16、子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與分析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。ni multisim10易學(xué)易用，便于電子信息、通信工程、自動(dòng)化、電氣控制類專業(yè)學(xué)生自學(xué)，便于開展綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力4。4.2 5mhz巴特沃斯的仿真結(jié)果54.3 1

17、0mhz巴特沃斯的仿真結(jié)果55 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析5.1 測(cè)試儀器表格一 測(cè)試儀器與設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1ss-7802a雙蹤模擬示波器（20mhz）1日本巖崎公司（iwatsu）2dt9205n數(shù)字萬(wàn)用表1鴻昌濱江電子儀器（深圳）有限公司3tfg2003函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（15mhz）1石家莊市無線電四廠4qj3003aiii 雙路可調(diào)整直流穩(wěn)壓電源1寧波市鄞州求精電氣廠5.2 測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)5.2.1 5mhz 的數(shù)據(jù)記錄和表格表格二(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=500mv, fh =5.6997mhz）f10hz99.995khz3.998mhz4.79997mhz5.0997mhz

18、5.3997mhz5.6997mhzuo(mv)102.4137.5 149.5 125.6113.8100.086.8由表格二畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-1圖5-1表格三(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=1v, fh =5.4997mhz）f20hz999.998hz49.998khz99.996khz0.9978 mhz3.9997 mhz4.9998 mhz5.4997mhzuo(mv)249.5260266271.0277.5284237189.5由表格三畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-2圖5-2表格四(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=2v, fh =5.699

19、7mhz）f500hz19.999khz399.98khz1.999 mhz2.2999mhx3.2998mhz3.998 mhz4.9998 mhz5.6997mhzuo(mv)501.6524548561569583588478348由表格四畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-3圖5-3表格五(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=3v, fh =4.98998mhz）f50hz1000hz99.996khz0.9998 mhz1.9999 mhz2.998 mhz3.9987 mhz4.4998 mhz4.98998mhzuo(mv)748780800834848866878848720

20、.6由表格五畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-4圖5-4表格六(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=4v, fh =4.9998mhz）f50hz99.996khz299.98khz0.998 mhz1.998 mhz2.998 mhz4.0998mhz4.4998mhz4.998mhzuo(v)1.01.0761.0961.1101.1221.1541.1801.1200.970由表格六畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-5圖5-5表格七(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=5v, fh =4.7998mhz）f50hz99.996khz299.98khz0.998 mhz1.998

21、mhz2.998 mhz4.0998mhz4.4998mhz4.7998mhzuo(v)1.2861.3521.3641.3961.4101.4441.4701.3961.304由表格七畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-6圖5-65.2.2 10mhz 的數(shù)據(jù)記錄和表格表格八(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=1v, fh =9.7996 mhz）f99.996khz299.98khz1.4999khz3.1998mhz6.2997mhz7.3997mhz8.6996mhz9.7996mhzuo(mv)285293300309334340346310由表格八畫出的opa690輸出有效值與

22、頻率的關(guān)系如圖5-7圖5-7表格九(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=2v, fh =9.5996 mhz）f99.996khz299.98khz1.9999khz2.9998mhz6.2997mhz7.3997mhz8.6996mhz9.7996mhzuo(mv)556590602612662676670560由表格九畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-8圖5-8表格十(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=3v, fh =9.6996 mhz）f99.996khz0.9998mhz1.9999mhz2.9998mhz7.0997mhz7.3997mhz9.6996mhzuo(mv)85090091

23、292610001040980由表格十畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-9圖5-9表格十一(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=4v, fh =9.4996 mhz）f99.996khz0.9998mhz1.9999mhz2.9998mhz7.0997mhz7.9997mhz9.4996mhzuo(mv)1190124512851300141514551200由表格十一畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-10圖5-10表格十二(輸入信號(hào)峰峰值uip-p=4v, fh =9.1996 mhz）f99.996khz0.9998mhz1.9999mhz2.9998mhz7.0997m

24、hz7.9997mhz9.1996mhzuo(mv)1445151015451595170017551690由表格十二畫出的opa690輸出有效值與頻率的關(guān)系如圖5-11圖5-115.3測(cè)試結(jié)果分析在測(cè)試結(jié)果中，通過信號(hào)源輸入的正弦波信號(hào)輸出的波形無失真，在低通濾波器3db通頻帶05mhz，即低通濾波器上限截止頻率基本達(dá)到5mhz左右。在05mhz通頻帶內(nèi)增益起伏達(dá)到設(shè)計(jì)的基本的要求。低通濾波器3db通頻帶010mhz，即低通濾波器上限截止頻率基本達(dá)到9mhz左右。在09mhz通頻帶內(nèi)增益起伏達(dá)到設(shè)計(jì)的基本要求。5.4 結(jié)論由于高頻電路的干擾非常大，首先在于器件與器件之間的相對(duì)位置擺放和走線要

25、布好，因此將元器件擺放得比較緊湊，這樣才能讓走線盡量短，從而降低交叉干擾，放大器各級(jí)盡量按原理圖排成直線形式。而且高頻對(duì)退藕電容的阻值要求很高，所以在選擇電容時(shí)要十分慎重。6 心得體會(huì)畢業(yè)設(shè)計(jì)是一件辛苦的工作。通過本次經(jīng)驗(yàn)，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)高頻布板和測(cè)試有了進(jìn)一步的了解。在這過程中，鍛煉了獨(dú)立思考的能力，也鍛煉分析問題解決問題的能力，相信對(duì)我以后的人生會(huì)有很大的幫助。致謝本電路設(shè)計(jì)及論文寫作是在我的導(dǎo)師袁放成教授的精心指導(dǎo)和關(guān)懷下順利完成的，在此謹(jǐn)向袁老師表示衷心的感謝。同時(shí)也感謝實(shí)驗(yàn)室曾給予本次設(shè)計(jì)幫助的同學(xué)。參考文獻(xiàn)：1 華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)m.第四版.北京:高等教育出版社,2006,1:357-368.2 21ic search.com.opa690id英文學(xué)習(xí)手