有源濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)21頁(yè)

1、廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目名稱(chēng)有源濾波器設(shè)計(jì)學(xué) 院專(zhuān)業(yè)班級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)摘要濾波器（filter）是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到的純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。帶通濾波器（band-pass filter）是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量，能將其他范圍分量衰減的設(shè)備。一個(gè)理想濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒(méi)有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉。另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在技校的頻率范圍完成。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器，因?yàn)椴⒉荒軐⑵谕l率范圍

2、外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在索要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒(méi)有被隔離的范圍，這通常被稱(chēng)為濾波器的滾降現(xiàn)象，使用每十倍頻的衰減幅度dB來(lái)表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而隨著滾降范圍越來(lái)越小，通常就變得不再平坦-開(kāi)始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)被稱(chēng)為吉布斯現(xiàn)象。帶通濾波器能夠廣泛應(yīng)用在電子學(xué)和信號(hào)處理領(lǐng)域，本文重點(diǎn)介紹了帶通濾波器的工作原理以及設(shè)計(jì)方法，介紹了帶通濾波器的工作原理并設(shè)計(jì)了一個(gè)帶通濾波電路，并給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法和主要模塊的原理分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該濾波器具有良好的濾波效果，并能穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵

3、詞：帶通濾波器 multisim 設(shè)計(jì)目錄前言4第一章 二階帶通濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求 5第二章 電路設(shè)計(jì) 6 一、正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 6 二、壓控電壓源型二階帶通濾波器設(shè)計(jì)8第三章 電路的仿真調(diào)試10第四章 焊接并調(diào)試電路13第五章 總結(jié)14第六章 主要參考文獻(xiàn)15前言近幾年隨著冶金、化工、紡織機(jī)構(gòu)等工業(yè)使用的各種非線性用電設(shè)備而產(chǎn)生的大量的高次諧波，已導(dǎo)致電網(wǎng)上網(wǎng)正常波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，影響到供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和用戶用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 隨著生產(chǎn)技術(shù)方式的變化，生產(chǎn)力確實(shí)得到較大提高，可同時(shí)也受到方方面面的限制。如當(dāng)人們做出了具體的制度設(shè)計(jì)需要付諸實(shí)踐進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中不可避免地會(huì)受到

4、一些偶然隨即因素的干擾，為評(píng)價(jià)新方案的效果，需排除這些隨即因素的影響，即需要一個(gè)濾波器。經(jīng)濾波以后對(duì)新方案的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。有源濾波器一般由集成運(yùn)放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號(hào)，衰減無(wú)用頻率的信號(hào)，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。此系統(tǒng)以測(cè)控電路以及電子電工的基本理論為基礎(chǔ), 并通過(guò)查閱手冊(cè)和參考文獻(xiàn)資料，綜合運(yùn)用測(cè)控電路課程中所學(xué)的理論知識(shí),在一個(gè)團(tuán)隊(duì)的共同協(xié)作下完成設(shè)計(jì)的。第

5、一章 二階帶通濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1、設(shè)計(jì)內(nèi)容 （1）正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析； （2）分析正弦波產(chǎn)生電路中W2的作用； （3）計(jì)算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)； （4）用Matlab畫(huà)出所設(shè)計(jì)的二階帶通濾波器的幅頻和相頻曲線；2、電路仿真 根據(jù)有源濾波器電路工作原理，選用相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)電路的仿真，并畫(huà) 出電路各點(diǎn)的信號(hào)波形，觀察有源濾波器隨著輸入信號(hào)頻率的變化，有源 濾波器輸出信號(hào)的變化。 3、使用Protel繪制電路原理圖，布局PCB板，使用熱轉(zhuǎn)印或者曝光方法 制作電路板，根據(jù)系統(tǒng)原理圖及所選擇的元件及參數(shù)，購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)元器件，完 成電路焊接、調(diào)試。 二、

6、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)1、完成二階帶通濾波器電路的分析與制作；2、討論與分析，制作與調(diào)試，演示與答辯，提交設(shè)計(jì)報(bào)告。三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作 1、電路原理圖設(shè)計(jì)； 2、電路工作原理分析； 3、電路參數(shù)計(jì)算與分析； 4、電路原理仿真； 5、電路制作、調(diào)試； 6、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告； 7、實(shí)物演示與答辯。第二章 電路設(shè)計(jì) 一、首先設(shè)計(jì)一個(gè)如下圖所示的1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路：RC橋式振蕩電路如上圖所示。由圖示可知，此電路由放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)組成，其中，R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間構(gòu)成正反饋，以此產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、Rw以及R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)R

7、w可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋中的R3、Rw剛好組成一個(gè)四臂電橋，電橋的對(duì)角線定點(diǎn)街道放大器A1的兩個(gè)輸入端，橋式振蕩電路的名稱(chēng)便由此得來(lái)。根據(jù)電路分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，根據(jù)正弦波振蕩電路的振幅平衡條件，選擇合適的放大指標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)完整的振蕩電路。振蕩電路的傳遞函數(shù)計(jì)算根據(jù)上圖計(jì)算：,其中，Z1、Z2分別為途中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻值?？梢杂?jì)算得到輸入與輸出的傳遞函數(shù)如下：（）由（）式可得，= 即取=16K,=f,則有=1000Hz振蕩電路分析就實(shí)際的頻率而言，可用s=jw替換，在w=時(shí)，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放同相

8、端的電壓與同相，這樣，放大電路和由Z1和Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足滿足相位平衡條件。(j)=令=，且=C,=R,則式（）變?yōu)?j)=由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻響應(yīng)=相頻響應(yīng)=-arctan由此可知=，或f=時(shí)，幅頻響應(yīng)的幅度為最大，即=而相頻響應(yīng)的相位角為零，即=0這說(shuō)明，當(dāng)=時(shí)，輸出的電壓的幅度最大（當(dāng)輸入電壓的幅度一定，而頻率可調(diào)時(shí)），并且輸出電壓時(shí)輸入電壓的，同時(shí)輸出電壓與輸入電壓同相。由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括w=這樣一些頻率成分，這種微弱的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大，通過(guò)正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸出幅度愈來(lái)愈大，最后受電路中的非線性元件的限制，使振蕩幅

9、度自動(dòng)的穩(wěn)定下來(lái)，開(kāi)始時(shí)，放大電路的放大倍數(shù)Av1=; 為可變電阻值的上部分值，為下部分值，當(dāng)Av1略大于3時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過(guò)調(diào)節(jié)才能輸出穩(wěn)定的正弦波。適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱，使Av1的值在起振時(shí)略大于3，達(dá)到穩(wěn)定是Av1=3，其輸出波形為正弦波，失真很小。如果Av1的值略大于3，則會(huì)因振幅的增長(zhǎng)，致使放大器件工作在非線性區(qū)域，波形將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。二極管對(duì)A1的輸出電壓進(jìn)行限幅再進(jìn)入比例放大環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，W2便可以改變A2的增益，從而改變輸出波形的幅值。為了讓輸出波形穩(wěn)定，應(yīng)讓=3解得 =%所以應(yīng)該調(diào)到%左右，才產(chǎn)生最理想的波形。由圖（）可以得出放大器A2的增益=由于01K，所

10、以 由此可見(jiàn)?；瑒?dòng)變阻器的調(diào)節(jié)功能對(duì)放大器的增益影響不大。二 壓控電壓源型二階帶通濾波器 壓控帶通濾波器的傳遞函數(shù)壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖所示，電路的傳遞函數(shù)為：（s）= 式（）中：是帶通濾波器的中心角頻率。分別為帶通濾波器的高低截止角頻率。中心角頻率： 中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)： 式（）中，通帶帶寬：BW=f=BW= Q= (BW時(shí)) 設(shè)計(jì)一個(gè)壓控電壓源二階打通濾波器，指標(biāo)要求為：通帶中心頻率=1kHz;；通帶電壓放大倍數(shù)=2;通帶帶寬f=50Hz。 設(shè)計(jì)步驟及元器件選擇1）選取圖（）壓控電壓源型二階帶通濾波電路；2）該電路的傳遞函數(shù)： 品質(zhì)因數(shù)： Q=20通帶的中心頻率：=2&#

11、215;1000 （）通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：=2 =取C=(F)=(F)=F為使電路穩(wěn)定工作必須要求3,取 =2,即由此可算出電阻 =159155取標(biāo)稱(chēng)值=160k將 將C=F,=160k，=2=2代入（）得到關(guān)于的二次方程： =0可解得 =5719 =11438取標(biāo)稱(chēng)值 =至此，壓控電壓源二階帶通濾波器無(wú)源器件參數(shù)基本確定。第三章 電路的仿真調(diào)試如下圖所示，為1000Hz正弦波產(chǎn)生電路在Multisim軟件中的電路圖 打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)W1，調(diào)節(jié)示波器時(shí)間軸比例得到 下圖的波形圖，從圖中可以看出，正弦波經(jīng)過(guò)放大，且周期大約是1ms,即1000Hz.如上所示為壓控電壓源二階帶通濾波器

12、電路上圖為對(duì)應(yīng)的波形圖，且可以看出，通帶電壓放大倍數(shù)大約為2由上圖可看出通帶中心頻率大約是1000Hz通帶下限截止頻率大約是975Hz通帶上限截止頻率大約是1025Hz通過(guò)上下限截止頻率可知，通帶帶寬f=50Hz。通過(guò)以上仿真可知，仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，所選元器件參數(shù)沒(méi)有錯(cuò)誤，可以進(jìn)行實(shí)際制作階段。第四章 焊接并調(diào)試電路。根據(jù)所需列表，購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的元器件，并根據(jù)電路圖焊接電路。定值電阻電位器電容整流二極管放大器錫線其它16K*210K*347K*2160K*1*1*1100K*11K*1F*2F*22LM324一圈萬(wàn)用板2塊導(dǎo)線若干萬(wàn)用表1個(gè)電烙鐵1個(gè)利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)壓控電壓源二

13、階帶通濾波器進(jìn)行測(cè)試，直至設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求。第五章 總結(jié)在本小組三個(gè)成員的努力下，經(jīng)過(guò)4天的日夜奮戰(zhàn)，終于按照要求完成任務(wù)，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)電路測(cè)試效果良好。在課程設(shè)計(jì)期間，雖然多多少少出現(xiàn)了一些問(wèn)題，但在各位組員的共同努力下，經(jīng)過(guò)不斷的討論和交流，最終還是順利完成了老師交代的任務(wù)。本次課設(shè)的題目為二階帶通濾波器設(shè)計(jì)，是我們本學(xué)期所學(xué)課程測(cè)控電路里的一個(gè)重要內(nèi)容，但縱觀整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，我們既需要理解并運(yùn)用測(cè)控電路里的知識(shí)，也要回憶起大一所學(xué)的電子電路技術(shù)（模擬部分），還要要求熟練使用multisim軟件進(jìn)行仿真，可謂是把大一到大三的知識(shí)都用了個(gè)遍。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們

14、三人不僅對(duì)課本的知識(shí)有了更加深入的認(rèn)識(shí)，也體會(huì)到各種知識(shí)如何在實(shí)際的設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，還體會(huì)到小組成員間應(yīng)該如何進(jìn)行配合。在實(shí)驗(yàn)之前，我們?nèi)诉M(jìn)行了資料查閱，找了不少有關(guān)二階帶通濾波器的相關(guān)資料，對(duì)我們實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確開(kāi)展提供了不少幫助。在進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)候，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，仔細(xì)尋找解決問(wèn)題的辦法。我們學(xué)會(huì)了對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的帶通濾波器的性能進(jìn)行分析，找出其存在的問(wèn)題。由于濾波器的中心頻率對(duì)電路元件（如電容、電阻）的參數(shù)十分敏感，比較難調(diào)試出比較合適的參數(shù)，而且，在實(shí)際中，電路元件的參數(shù)容易隨外界環(huán)境的干擾發(fā)生變化，容易導(dǎo)致中心頻率的偏移，從而影響濾波結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這次電路設(shè)計(jì)中，我們先計(jì)算電路參數(shù)，然后利用multisim進(jìn)行虛擬仿真，在計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，直至設(shè)計(jì)出符合要求的電路，并利用軟件自帶的仿真功能對(duì)電路進(jìn)行分析，直至得到設(shè)計(jì)出所要求的結(jié)果。由最后電路的測(cè)量分析結(jié)果可知，通過(guò)multisim仿真出來(lái)的結(jié)果與理論分析的計(jì)算結(jié)果十分接近。在本次課設(shè)中，我們?nèi)硕嫉玫搅瞬簧俚某砷L(zhǎng)，不僅在各自的動(dòng)手能力和對(duì)課本知識(shí)的掌握中有了提高，培養(yǎng)了對(duì)該課