基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器設(shè)計(jì)multisim仿真

1、課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）設(shè)計(jì)題目基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)消除疊加在頻率為1kHz以上的測(cè)試信號(hào)中所包含的50Hz工頻信號(hào)及其高次諧波（最高5次）信號(hào)。設(shè)計(jì)要求1：完成題目的理論設(shè)計(jì)模型；2：完成電路的multisim仿真；工作量1：完成一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果)2：提交一份電路原理圖；工作計(jì)劃第一周周一到周二，查閱資料；第一周周三到周五，理論設(shè)計(jì)；第二周周一到周三，計(jì)算機(jī)仿真；第二周周四到周五，撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書并答辯；參考資料1：基于運(yùn)算放大器和集成電路的電路設(shè)

2、計(jì)2：模擬電子技術(shù)3：電路原理 4：數(shù)字電子技術(shù) 5：電子濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2010年 6 月 18 日 目 錄第1章 摘要4第2章 引言4第3章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器構(gòu)建53.1理論分析53.2 參數(shù)計(jì)算83.3 電路組成9第4章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器性能測(cè)試114.1 multisim 各頻率信號(hào)源仿真114.2 pspice仿真19第5章 結(jié)論20心得體會(huì)20參考文獻(xiàn)20 第1章 摘要本文介紹一種基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器的設(shè)計(jì)與制作，簡(jiǎn)要地介紹了工頻信號(hào)陷波器的工作原理與設(shè)計(jì)方

3、案，并詳細(xì)地介紹了該陷波器的參數(shù)設(shè)計(jì)和制作過(guò)程，通過(guò)multisim和pispice的仿真與測(cè)試，記錄和分析了該陷波器的工作特性與陷波性能，論證了該陷波器的可行性。 該陷波器陷波性能良好，帶寬較小，電路線路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，濾波性能方便調(diào)整，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。第2章 引言 工頻陷波器是阻帶寬度較小的帶阻濾波器，它的作用是阻止或?yàn)V掉信號(hào)中有害分量，達(dá)到減少對(duì)電路的影響。工頻為一頻率單一且固定的某一信號(hào)，工頻通常和二次諧波及高次諧波同時(shí)出現(xiàn)。而有時(shí)工頻是不需要的，甚至?xí)o其他信號(hào)造成很大的干擾。工頻陷波器就是為了很大程度地抑制或阻止該種所不需要工頻信號(hào)，同時(shí)對(duì)其他頻率的信號(hào)沒(méi)有較大的抑制作用。

4、本文所采用基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器的一種設(shè)計(jì)方法是DABP帶阻濾波器的方法。 高性能的工頻陷波器，它應(yīng)能完全濾除工頻和其高次諧波而不衰減其他諧波。要獲得這樣高的性能，需要Q值很高的濾波器，而且調(diào)諧必須非常準(zhǔn)確，而DABP帶阻濾波器的Q值達(dá)到150，適合一般低頻窄帶濾波器設(shè)計(jì)。 獲得高性能的工頻陷波器，采用DABP帶阻濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波可大大提高其性能指標(biāo)。其實(shí)現(xiàn)陷波思路有：先利用DABP帶阻濾波器設(shè)計(jì)每個(gè)所要求中心頻率的陷波器，然后把各個(gè)濾波器串聯(lián)形成類似于梳狀陷波器的帶阻濾波器。工頻陷波器不僅在通信領(lǐng)域里被大量應(yīng)用，還在自動(dòng)控制、雷達(dá)、聲納、人造衛(wèi)星、儀器儀表測(cè)量及計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域有著廣

5、泛的應(yīng)用。第3章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器構(gòu)建3.1理論分析基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器設(shè)計(jì)，用以消除疊加在頻率為1kHz以上的測(cè)試信號(hào)中所包含的50Hz工頻信號(hào)及其高次諧波（最高5次），即設(shè)計(jì)中心頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的窄帶陷波器。采用子電路的方法，首先分為設(shè)計(jì)中心頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的5個(gè)窄帶陷波器。然后把5個(gè)陷波器串聯(lián)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后利用放大單元實(shí)現(xiàn)單位增益輸出。該窄帶帶阻濾波器分為六個(gè)獨(dú)立的單元：1. 50Hz窄帶陷波器。2. 100Hz窄帶陷波器。3. 150Hz窄帶陷波器。4.

6、200Hz窄帶陷波器。5. 250Hz窄帶陷波器。6. 放大系數(shù)為K的放大單元。電路構(gòu)建框圖和最終電路圖如圖3.1.1圖3.1.2所示 圖3.1.1基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器構(gòu)建框圖 圖3.1.2基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器電路圖每個(gè)陷波器單元的設(shè)計(jì)可以獨(dú)立進(jìn)行，并滿足指定中心頻率和帶寬要求，基于僅僅需要消除疊加在頻率為1kHz以上的測(cè)試信號(hào)中所包含的50Hz工頻信號(hào)及其高次諧波（最高5次），為了降低帶寬，則需要選用高品質(zhì)因數(shù)Q的電路，本設(shè)計(jì)選用DABP帶阻電路（Q150），其電路如圖3.1.2所示 圖3.1.3 DABP帶阻電路DABP帶阻電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)： (1.1.1) 令可得， (

7、1.1.2) 將上式化成標(biāo)準(zhǔn)形式,則 (1.1.3)令對(duì)應(yīng)系數(shù)相等，通過(guò)觀察可得：令，可得 (1.1.4)所以DABP帶阻電路的設(shè)計(jì)方程為 (1.1.5)所以五個(gè)陷波器單元串聯(lián)的轉(zhuǎn)移函數(shù)： 其中 ， ， ， ， ， ， ， ，為了實(shí)現(xiàn)最后輸出的單位增益，所以放大單元的放大倍數(shù)，即，因此基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器的最終轉(zhuǎn)移函數(shù)：3.2 參數(shù)計(jì)算1 當(dāng)中心頻率為50Hz時(shí)，Q為最大值150時(shí)，取，根據(jù)式 (1.1.5) 計(jì)算可得,。所以取，。2 當(dāng)中心頻率為100Hz時(shí),Q為最大值150時(shí)，取，。根據(jù)式(1.1.5)計(jì)算可得, 。所以取，。3 當(dāng)中心頻率為150Hz時(shí)，Q為最大值150時(shí)，取，

8、,根據(jù)式 (1.1.5) 計(jì)算可得, .所以取，。4 當(dāng)中心頻率為200Hz時(shí)，Q為最大值150時(shí)，取，,根據(jù)式(1.1.5)計(jì)算可得, .所以，。5 當(dāng)中心頻率為250Hz時(shí)，Q為最大值150時(shí)，取，,根據(jù)式(1.1.5)計(jì)算可得, .所以，。6 因?yàn)榉糯髥卧姆糯笙禂?shù)，所以，所以令，。3.3 電路組成圖3.3.1、圖3.3.2 分別為工頻信號(hào)有源陷波器Pspice仿真電路和Multisim真電路。圖3.3.1 工頻信號(hào)有源陷波器Pspice仿真電路圖1.3.2 工頻信號(hào)有源陷波器Multisim仿真電路電路參數(shù)： 第4章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器性能測(cè)試4.1 multisim 各頻

9、率信號(hào)源仿真圖4.1.1 =49Hz時(shí)仿真波形圖圖4.1.2 =50Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖圖4.1.3 =51Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖表4.1.1 =49Hz、50Hz、51Hz時(shí)數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差49109.867-0.1161.04950100.381-28.3820.55651109.859-0.1230.956分析：當(dāng)頻率為49Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率小于第一窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為50Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率等于第一窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號(hào)不能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為51Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻

10、率大于第一窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。注：本小節(jié)multisim仿真圖中紅色曲線是輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線是輸出信號(hào)圖4.1.4 =99Hz時(shí)仿真波形圖圖4.1.5 =100Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖圖4.1.6 =101Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖表4.1.2 =99Hz、100Hz、101Hz時(shí)數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差99109.456-0.4861.106100100.384-28.3130.549101109.489-0.4560.895分析：當(dāng)頻率為99Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率小于第二窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為10

11、0Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率等于第二窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號(hào)不能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為101Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率大于第二窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。圖4.1.7 =149Hz時(shí)仿真波形圖圖4.1.8 =150Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖圖4.1.9 =151Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖表4.1.3 =149Hz、150Hz、151Hz時(shí)數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差149108.862-1.0491.163150100.882-21.0910.534151109.089-0.8300.92分析：當(dāng)頻率為149Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率

12、小于第三窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為150Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率等于第三窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號(hào)不能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為151Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器，由于該頻率大于第三窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。 圖4.1.10 =199Hz時(shí)仿真波形圖圖4.1.11 =200Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖圖4.1.12 =201Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖表4.1.4 =199Hz、200Hz、201Hz時(shí)數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差199108.123-1.8061.191200101.039-19.6680.53201107.572

13、-2.160.982分析：當(dāng)頻率為199Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器，由于該頻率小于第四窄帶阻帶的，所以衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為200Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率等于第四窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號(hào)不能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為201Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率大于第四窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。 圖4.1.13 =249Hz時(shí)仿真波形圖圖4.1.14 =250Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖圖4.1.15 =251Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形圖表4.1.5 =249Hz、250Hz、251Hz時(shí)數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差249107.572-2.41

14、61.217250100.499-26.0380.512251107.804-2.1540.780分析：當(dāng)頻率為249Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率小于第五窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。當(dāng)頻率為250Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率等于第五窄帶阻帶的中心頻率，所以該信號(hào)不能通過(guò)陷波器。 當(dāng)頻率為251Hz的信號(hào)通過(guò)陷波器時(shí)，由于該頻率大于第五窄帶阻帶的，因此衰減較少，所以該信號(hào)能通過(guò)陷波器。 4.2 pspice仿真圖4.2.1基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器幅頻特性曲線（輸出電壓隨頻率變化而變化）說(shuō)明：圖中曲線基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器幅頻特性曲線，其中A點(diǎn)、C點(diǎn)

15、、D點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)、I點(diǎn)、J點(diǎn)、L點(diǎn)、M點(diǎn)、O點(diǎn)分別是輸出幅值是輸入幅值0.707的點(diǎn)。B點(diǎn)、E點(diǎn)、H點(diǎn)、K點(diǎn)、N點(diǎn)分別為各個(gè)中心頻率的點(diǎn)，即輸出最小的點(diǎn)。圖4.2.1基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器波特圖說(shuō)明：圖中曲線基于運(yùn)算放大器的工頻信號(hào)陷波器波特圖，其中A點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)、I點(diǎn)、J點(diǎn)、L點(diǎn)、M點(diǎn)、O點(diǎn)是衰減3的DB的點(diǎn)。B點(diǎn)、E點(diǎn)、H點(diǎn)、K點(diǎn)、N點(diǎn)分別為衰減最大的點(diǎn)。第5章 結(jié)論本設(shè)計(jì)采用5個(gè)DABP窄帶陷波器串聯(lián)用以消除疊加在頻率為1k Hz上的測(cè)信號(hào)中所包含的50Hz工頻信號(hào)及其高次諧波（最高5次），當(dāng)頻率50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的信號(hào)通過(guò)陷

16、波器時(shí)，由于這些信號(hào)剛好等于陷波器的5個(gè)窄帶阻帶的中心頻率，所以工頻信號(hào)及其高次諧波（最高5次）不能通過(guò)陷波器而被濾掉。而其頻率信號(hào)都處于陷波器的這5個(gè)窄阻帶的范圍外，這些信號(hào)都能通過(guò)陷波器。消除了測(cè)試信號(hào)中來(lái)自工頻的干擾。心得體會(huì) 通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，全面系統(tǒng)的理解了工頻信號(hào)陷波器一般原理和基本實(shí)現(xiàn)方法。把死板的課本知識(shí)變得生動(dòng)有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。把學(xué)過(guò)的電子各個(gè)方面的知識(shí)強(qiáng)化，能夠把課堂上學(xué)的知識(shí)通過(guò)自己的設(shè)計(jì)表示出來(lái)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。其次，這次課程設(shè)計(jì)讓我基本掌握了multsim，pspice等軟件的使用，明白了軟件仿真對(duì)設(shè)計(jì)的重要性。再次，這次課程設(shè)計(jì)讓我充分認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，只有分工協(xié)作才能保證整個(gè)項(xiàng)目的有條不紊。通過(guò)