有源濾波器模電課程設計

1、鄭州科技學院模擬電子課程設計題 目 二階有源高通濾波器 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 指導教師 完成時間 目 錄1 課程設計的目的12 課程設計的任務與要求13 設計方案與論證1 3.1 有源濾波器各部分電路的作用1 3.2 方案的選擇2 3.2.1 濾波器的選擇2 3.2.2 級數(shù)的選擇3 3.2.3 運放的要求3 3.2.4 元器件的選擇44 有源濾波器的設計與原理 4 4.1 有源濾波器的基本概念4 4.2 有源濾波器的傳輸函數(shù)5 4.3 有源濾波器的設計5 4.4 電路性能參數(shù)65 電路仿真（計算與說明）6 5.1 Multisim軟件介紹7 5.2 Multisim電路仿真

2、分析76 硬件的制作與調(diào)試12 6.1 電路的焊接制作12 6.2 電路的調(diào)試和誤差分析127 總結(jié) 12參考文獻 15附錄1：總體電路原理圖16附錄2：元器件清單17附錄3：電路實物圖181 設計目的1 學習RC有源濾波器的設計方法；2 綜合運用所學的理論知識，掌握一般電子線路分析和設計的基本方法和步驟；3 培養(yǎng)一定的獨立分析問題、解決問題的能力；4 實踐利用EDA軟件繪制電子線路原理圖、PCB圖；5 學會說明書的規(guī)范整理和書寫。2 設計任務與要求1 設計二階RC高通濾波器電路，計算電路元件參數(shù)，擬定測試方案和步驟；2 在multisim里仿真電路，測量并調(diào)整靜態(tài)工作點；3 由濾波器設計指標

3、計算電路元件參數(shù)；4 掌握有源濾波器的測試方法；5 測量有源濾波器的幅頻特性；6 寫出設計報告。3 總方案設計3.1 有源濾波器各部分電路的作用有源濾波電路主要由：RC網(wǎng)絡、放大器、反饋網(wǎng)絡三部分組成。（1）RC網(wǎng)絡的作用在電路中RC網(wǎng)絡起著濾波的作用，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。（2）放大器的作用電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益同相放大器 具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。（3）反饋網(wǎng)絡的作用 將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡，反饋網(wǎng)絡分為正、負反饋。3.2 方

4、案選擇濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。一個理想的濾波器應在要求的頻帶內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實際的濾波器距此有一定的差異，為此我們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。濾波器的設計任務是根據(jù)給定的技術(shù)指標選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器的技術(shù)指標有通帶和阻帶之分，通帶指標有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設計中的考慮原則。3.2.1 濾波器的選擇由于巴特沃斯濾波器通頻帶內(nèi)的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶內(nèi)則逐漸下降為零，

5、在振幅的對數(shù)對角頻率的波特圖上，從某一邊界角頻率的增加而逐漸減少，趨向負無窮大，本次我選擇設計巴特沃斯二階有源低通濾波器和高通濾波器；而帶通濾波器要求通帶較寬時，用低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成比直接用環(huán)型帶通濾波器要好。3.2.2 級數(shù)的選擇 一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。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。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函

6、數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(shù)之和。當要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時，則取級數(shù)n應滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)，根據(jù)帶外衰減特性的要求，我選擇二階濾波器。3.2.3 運放的要求在無特殊要求的情況下，可選用通用型運算放大器。要讓濾波器的反饋能夠滿足其對濾波器特性的要求，運算放大器的開環(huán)增益要求在80db以上。如果濾波器的輸入信號較小，例如在10mV以下，則選低漂移運放。如果濾波器工作于超低頻，以至于使RC網(wǎng)絡中電阻元件的值超過100k,則應選低漂移高輸入阻抗的運放。本電路選擇了八管腳的UA741單運放，其管腳如圖3-2：圖3-2 UA741引腳圖3.2.

7、4 元器件的選擇  電容的選擇:一般設計濾波器時都要給定截止頻率fc (c)帶內(nèi)增益Av，以及品質(zhì)因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設計時經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之數(shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配.所以一般從選定電容入手，具體選擇情況詳見附錄2。電阻的選擇:根據(jù)電容的確定和規(guī)定的截止頻率和帶內(nèi)增益以及參數(shù)計算得的結(jié)果和市場上所出售的情況而選擇，詳見附錄2。 4 有源濾波器的設計與原理4.1 有源濾波器的基本概

8、念 由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其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范圍以外的信號?？捎迷谛畔⑻幚?、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)等濾波器，我們設計的是高通濾波器。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實現(xiàn)，只能用實際的幅頻特性逼近。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二

9、階RC有源濾波器來實現(xiàn)。4.2 有源濾波器的傳輸函數(shù) （4-1）4.3 有源高通濾波器的設計高通濾波器的性能與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。如圖4-1所示，高通濾波器的基本電路圖。圖4-1 有源高通濾波器簡單電路圖4.4 電路性能參數(shù) （4-2） 二階高通濾波器的通帶增益 (4-3) 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 （4-4）品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。5 電路仿真電路設計的一個很重要的環(huán)節(jié)是仿真與調(diào)試，這就需要進行虛擬實驗，此次仿真使用的是Multisim虛擬實驗平臺。虛擬實驗過程與實驗操作跟實際相似，但比

10、實際方便、省時，通過仿真測試電路各方面性能良好。 5.1 Multisim軟件介紹Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿真實驗和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛筒糠謴婋婋娐返姆抡?、分析和設計。  Multisim是一種優(yōu)秀而易學的WDA（電子設計自動化）軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點就是提供了一個操作簡便且與實際相似的虛擬實驗平臺。他幾乎能對”電子技術(shù)

11、”課程中所有基本電路進行虛擬實驗，虛擬實驗過程和儀器操作方法與實際相似，但比實際方便、省時。他還能進行實際無法或不便進行的試驗內(nèi)容，通過儲存和打印等方法可精確記錄器實驗結(jié)果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實際工作狀態(tài)和性能。5.2 Multisim電路仿真與分析圖5-1 有源濾波器仿真電路圖如上圖所示，此電路上半部分是一個同相比例放大電路，由兩個電阻R3、Rf和一個理想運算放大器構(gòu)成。R3為15K、Rf為10K。下半部分是一個二階RC濾波電路，由兩個電阻R1、R2及兩個電容C1、C2構(gòu)成。其中R1、R2均為8.2K,C1、C2均為10nF。電路由一個幅度為6V、頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸

12、入信號。(1) 理論分析通帶電壓放大倍數(shù)：低頻下，兩個電容相當于開路，此電路為同相比例器。 (5-1)通帶截止頻率： (5-2)（2） 濾波器輸入輸出波形分析在Multisim軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬雙蹤示波器，將示波器的A、B端分別連接電路的輸入端和輸出端，再點擊仿真開始按鈕進行仿真，得到如圖5-3波形：圖5-2 信號源輸入端接信號源如圖5-2： (5-3) (5-4)圖5-3 二階高通濾波器輸入輸出波形圖5-3為電路輸出信號的頻率為500HZ,幅度是12V時濾波器的輸入輸出波形。波形幅度大的是電路輸入信號，另外一條是電路輸出信號。示波器的橫坐標表示時間，縱坐標表示電壓的幅度。選擇2ms/

13、div的掃描率，縱軸比例為5v/div，輸出方式為Y/T方式。從圖中可以看出輸出信號和輸入信號頻率相同，說明濾波器不改變輸出信號頻率，但在輸入信號頻率小于濾波器的截止頻率時，輸出信號的幅度遠小于輸入信號的頻率，說明輸出信號衰減明顯。調(diào)節(jié)輸入信號頻率，使其分別為500HZ、1KHZ、2KHZ、3KHZ時，從示波器可以看出輸入信號頻率在2KHZ以下時，電路的放大作用明顯，而小于2KHZ時，波形開始逐漸被衰減，這說明截止頻率接近2KHZ。我們發(fā)現(xiàn)，僅通過示波器分析，很難得出截止頻率的準確值，也不能直觀看出輸入信號的頻率對放大電路性能的影響，于是用波特儀來準確觀察電路的輸入輸出特性。（3） 幅頻特性分

14、析在虛擬儀器欄中選擇虛擬波特儀，將波特儀的輸入輸出端分別接到電路的輸入輸出端，再點擊仿真按鈕進行仿真，得到如下波形：圖5-4 有源高通濾波器幅頻特性該高通濾波器的通頻帶的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，衰減率可達到每十倍頻40分貝，濾波特性很理想，從圖中可以看出截止頻率，與理論計算結(jié)果相符。6 硬件制作與調(diào)試6.1 電路的焊接制作 （1) 按仿真圖購買所需要的元器件。(2) 在電路板上進行焊接。(3) 焊接好線路，進行測試。(4) 觀察輸出波形是否正確。6.2 電路的調(diào)試和誤差分析把輸出端接示波器，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率觀察波形的變化。在測試的時候發(fā)現(xiàn)無波形輸出，檢

15、查電路才發(fā)現(xiàn)原來是電源正負極接反了，改回來后有了正常的波形。由于計算得出的元器件參數(shù)比較理想化，而實際中用的元件很難匹配所有的參數(shù)，如低通濾波器中的R1，R2，取值為8.2K，現(xiàn)實中無法買到阻值為8.2K的電阻，只能通過幾個電阻串聯(lián)的形式盡可能的接近它。至于電容，誤差更大（電容的誤差在20%內(nèi)便為合格）。7 總結(jié)這次的課程設計，老師給與了我們相當大的幫助。提供了若干個課題，供同學選擇，而且強制要求一人一個課題，最大限度上逼同學培養(yǎng)出獨立思考的能力。這個課題的內(nèi)容在很多參考資料書上都有相關(guān)介紹，電路圖也大同小異，因而可以說選擇原理電路的過程還是很容易的，但是事實上，濾波電路的原理雖然說也很重要，

16、但卻不是試驗成功最難的一步，相比較之下，根據(jù)原理圖的要求，選擇各類元器件才是最麻煩的一步。開始的時候不知道要先選取電容值，走了很多彎路，設計性能也達不到要求。后來查找資料發(fā)現(xiàn)有源濾波器頻率和電容有一個經(jīng)驗表，根據(jù)頻率選定電容范圍，再根據(jù)公式推算電阻，才能很好地滿足設計要求。 經(jīng)歷了多次失敗的仿真結(jié)果后，我暫時停止了盲目仿真的過程，我開始在網(wǎng)絡上和書籍中查閱相關(guān)資料，進一步學習濾波器的相關(guān)知識，為合理調(diào)整電路元器件的數(shù)值打基礎。與此同時又參閱了部分Multisim的教程，以及網(wǎng)上的經(jīng)驗之談。前一次的失敗工作雖然沒有為我?guī)頋M意的數(shù)據(jù)，但是反復操練帶來的熟練程度，讓我在后來的仿真實驗中受

17、益匪淺，面對全英文的操作界面也不再是處處茫然，常用的儀器、元器件也知道該如何去找去用了。及時充電過后的正式仿真相比之下就顯得容易多了。先設定一個預期的結(jié)果，再根據(jù)預期結(jié)果反推所需的元器件及參數(shù)，接著在軟件自帶的器件庫內(nèi)找齊所需元件再連接即可。由于事先算好了數(shù)據(jù)，故得到的曲線與理論值相當接近。本次課程設計其實學到了很多東西。最基本的當然是濾波器的相關(guān)知識；其次是Multisim軟件的基本操作和應用；除此之外在老師的提醒下我還知道了查閱電子元器件參數(shù)最權(quán)威的方式PDF文檔；還有一些零零散散的看似不起眼但卻又不能被忽略的小知識。通過這次課程設計，更加強化了我一個概念無論做什么，一定要在事先做好充分的

18、準備，那樣才不會在面臨意外時手忙腳亂?？偟膩碚f，這次的設計讓我收獲很多，學習到了很多沒接觸過的知識，我也會更加注重聯(lián)系理論與實際，繼續(xù)努力！參考文獻1 彭介華.電子技術(shù)課程設計指導.北京：高等教育出版社，1997. 2 謝自美.電子線路設計·武漢：華中科技大學出版社，2006.3 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎.北京：高等教育出版社， 2006.  4 陸秀令、韓清濤.模擬電子技術(shù).北京：北京大學出版社，2007.5 陳兆仁、電子技術(shù)基礎實驗研究與設計.電子工業(yè)出版社，2000.6 陳栓科、模擬電子技術(shù)基礎.高等教育出版社，2010.7 吳友宇、模擬電子技術(shù)基礎.清華大學出版社，2004.8 王冠華、Multisim10電路設計及應