信號與線性系統(tǒng)課程設(shè)計報告

1、信號與線性系統(tǒng)課程設(shè)計報告 有源濾波器設(shè)計與分析 源濾波器設(shè)計與分析摘要：實驗主要研究采用運算放大器，分別設(shè)計參數(shù)可調(diào)的源低通、高通、帶通、全通濾波器的設(shè)計，并使用multisim軟件仿真和焊接電路板進(jìn)行實際電路測試，并與仿真結(jié)果比較分析。掌握濾波器的設(shè)計原理，通過仿真分析各種濾波器的頻率響應(yīng)和時域響應(yīng)，改變不同的電路參數(shù)來觀察濾波器的性能，分析比較設(shè)計出優(yōu)化濾波器。在實驗過程中鍛煉學(xué)生的分析解決問題的能力和動手操作能力，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合的目的，并相應(yīng)地了解濾波器在實際生活中的應(yīng)用，將所學(xué)的內(nèi)容運用到實際中。關(guān)鍵詞：濾波器，截止頻率，仿真，電路測試1課程設(shè)計的目的、意義本課題研究有源低通、

2、高通、帶通、全通濾波器的設(shè)計，并通過仿真和實際電路測試，分析各種濾波器的頻率響應(yīng)和時域響應(yīng)。通過本課題的設(shè)計，主要達(dá)到以下幾個目的、意義：1.掌握有源濾波器的基本原理及設(shè)計方法。2.深入理解信號頻譜和信號濾波的概念，理解濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)對信號的影響，了解不同類型濾波器時域響應(yīng)的特點。3.掌握模擬濾波器頻域響應(yīng)的測試方法。4.掌握利用Multisim軟件進(jìn)行模擬濾波器設(shè)計及仿真的方法。5.了解有源濾波器硬件電路的設(shè)計、制作、調(diào)試過程及步驟。6.掌握新一代信號與系統(tǒng)硬件實驗平臺及虛擬示波器、虛擬信號發(fā)生器的操作使用方法。7.培養(yǎng)運用所學(xué)知識分析和解決實際問題的能力。2 課程設(shè)計任務(wù)本課題的

3、任務(wù)包括有源濾波器電路設(shè)計、電路（系統(tǒng)）仿真分析、電路板焊接、電路調(diào)試與測試、仿真和測試結(jié)果分析等內(nèi)容，主要工作有：1. 采用運算放大器，分別設(shè)計參數(shù)可調(diào)的有源低通、帶通、高通、全通濾波器，并用Multisim軟件進(jìn)行仿真驗證，并測試其時域和頻率響應(yīng)。2. 列出所設(shè)計各濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，用Matlab軟件分析其頻率響應(yīng)、時域響應(yīng)，并與Multisim電路仿真的結(jié)果進(jìn)行比較分析。3. 在Multisim仿真軟件中，給各濾波器分別輸入適當(dāng)?shù)男盘枺瑴y試分析各種濾波器頻率響應(yīng)對信號的影響。4. 根據(jù)所設(shè)計的濾波器元件參數(shù)，在PCB板上完成各有源濾波器電路的焊接。5. 利用新開發(fā)的信號與系統(tǒng)實驗平臺，對

4、焊接好的電路進(jìn)行調(diào)試，確保其工作正常。6. 采用適當(dāng)?shù)姆椒?，調(diào)整相關(guān)元件參數(shù)，測試各濾波器的時域響應(yīng)和頻率響應(yīng)，與相關(guān)仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，并分析誤差產(chǎn)生的原因。7. 將適當(dāng)信號輸入濾波器，測試分析各種濾波器頻率響應(yīng)對信號的影響，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，分析其差異產(chǎn)生的原因。3.課程設(shè)計要求利用運算放大器，設(shè)計二階壓控電壓源型（VCVS）有源低通、高通、帶通、全通濾波器，濾波器原型電路參見參考文獻(xiàn)。濾波器主要技術(shù)指標(biāo)要求：截止頻率在10020kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（用兩個可調(diào)電阻實現(xiàn)）；濾波器通帶增益設(shè)計為約等于2；其余指標(biāo)自定。4. 設(shè)計方案及論證（設(shè)計原理、電路設(shè)計、濾波器參數(shù)設(shè)計等） 仿真調(diào)

5、試步驟、結(jié)果及分析 電路制作調(diào)試步驟、調(diào)試結(jié)果1.二階有源低通濾波器1.1設(shè)計原理圖參數(shù)計算其中可調(diào)電阻Ra1,Rb1的選擇，參考公式 =*2、=*2其中、分別是極點坐標(biāo)的實部和虛部，C=0.01uF，、通過查表得知為=0.6104、=0.7106選取=1000Hz，計算得Ra1=13.037K,Rb1=22.141K， 圖1-1低通原理圖1.2仿真測試圖 圖1-2 幅度特性圖1通過圖 1-2 可知通帶截止頻率=777Hz，阻帶截止頻率=700KHz 圖1-3 幅度特性圖2由圖1-3知=1012Hz，與計算結(jié)果符合 圖1-4 相位特性圖 圖1-5低通濾波器濾波圖通過圖1-5知方波由很多正弦分量

6、組成，通過低通濾波器，可以濾出部分分量，得到能量最大正弦波 圖1-6 沖激響應(yīng)圖 圖1-7 階躍響應(yīng)圖硬件電路測試圖： 圖1-8沖激響應(yīng)圖 圖1-9階躍響應(yīng)圖硬件測試與仿真結(jié)果符合1.3改變參數(shù)測試1.3.1 改變Ra1、Rb1的阻值選取Ra1=10K、Rb1=1.7K 圖1-10 幅度特性圖通過圖 1-10 可知通帶截止頻率=3.722khz，阻帶截止頻率=1.535MHz 圖1-11沖激響應(yīng)圖 圖1-12階躍響應(yīng)圖硬件電路測試圖： 圖1-13沖激響應(yīng)圖 圖1-14階躍響應(yīng)圖硬件測試與仿真結(jié)果符合1.3.2 改變Ra1、Rb1的阻值選取Ra1=33K、Rb1=33K 圖1-15 幅度特性圖通

7、過圖1-15可知通帶截止頻率=525.149hz，阻帶截止頻率=756,544kHz 圖1-16沖激響應(yīng)圖觀察階躍響應(yīng) 圖1-17階躍響應(yīng)圖硬件電路測試圖： 圖1-18沖激響應(yīng)圖 圖1-17階躍響應(yīng)圖硬件測試與仿真結(jié)果符合1.4 matlab測試系統(tǒng)函數(shù)公式對=2，= 1kHz，Ra1=13.037K,Rb1=22.141KMatlab程序R1=13.037;R2=22.241;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=0,0,2/(R1*R2*c2*c1);a=1,1/(R1*c1)+1/(R2*c1)-1/(R2*c2),1/(R1*R2*c2*c1);y1=step(b,a

8、);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title('階躍響應(yīng)')figure(2)plot(y2)title('沖激響應(yīng)')figure(3)bode(b,a) 圖1-18低通濾波器沖激響應(yīng) 圖1-19低通濾波器階躍響應(yīng) 圖1-20低通濾波器幅頻與相頻響應(yīng)與仿真結(jié)果符合2.二階有源高通濾波器2.1設(shè)計原理圖參數(shù)計算 C=0.01uF，、通過查表得知為=、=1由原理圖可知k=1，=2選取=10KHz，計算得R3=1821 R4=1391 圖2-1高通濾波器原理圖 2.2仿真測試圖頻域仿真圖 圖2-2幅度特性圖1通過圖2-2可知通帶截

9、止頻率=13.189KHz 圖2-3幅度特性圖2由圖 2-3知=10KHz，與計算結(jié)果符合 圖2-4相位特性圖 圖 圖2-5 高通濾波器時域圖1 圖2-6 高通濾波器時域圖2 圖2-7 高通濾波器時域圖3通過這三張圖可知高通濾波器的性能并不是很高，通帶截止頻率13.189KHz，當(dāng)輸入1KHz時基本濾除，但當(dāng)輸入5KHz的時仍然有部分分量通過，沒有濾干凈，當(dāng)輸入20KHz的時，可以看到有相位的變化。 圖2-8 沖激響應(yīng)圖硬件電路測試 圖2-9 階躍響應(yīng)圖硬件電路測試 圖2-10 高通濾波器時域圖 圖2-11 沖激響應(yīng)圖 圖2-12 階躍響應(yīng)圖與仿真結(jié)果符合2.3改變參數(shù)2.3.1改變不同的電阻

10、阻值測得響應(yīng) R3=20k R4=20K 圖2-13 幅度特性圖通過圖2-13可知通帶截止頻率=872Hz 圖2-14 沖激響應(yīng)圖改變不同的電阻阻值測得響應(yīng)R3=20k R4=20K 圖2-15 階躍響應(yīng)圖通過圖 2-15可知通帶截止頻率=92KHz 3dB截止頻率62kHz通過公式分析可以知道電阻選取的越大擇3dB截止頻率越小2.4 matlab測試系統(tǒng)函數(shù)公式對對=2,= 10kHz，=1821，=1391Matlab程序R1=1821;R2=1391;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=2,0,0;a=1,1/(R2*c1)+1/(R2*c1)-1/(R1*c2),1

11、/(R1*R2*c2*c1);y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title('階躍響應(yīng)')figure(2)plot(y2)title('沖激響應(yīng)')figure(3)bode(b,a) 圖2-16高通濾波器沖激響應(yīng) 圖2-17高通濾波器階躍響應(yīng) 圖2-18高通濾波器幅頻與相頻響應(yīng)與仿真結(jié)果符3.二階有源帶通通濾波器3.1設(shè)計原理圖R3=82k，R1=20k，C=0.01uF，Ar=2選取=500Hz，計算得R2=32.115k 圖3-1帶通濾波器原理圖3.2仿真測試圖頻域仿真圖 圖3-2 幅度特性圖1由

12、圖3-2 知中心頻率500hz 圖3-3幅度特性圖2由圖3-3知通帶截止頻率334hz，阻帶截止頻率741hz，通帶帶寬為741-334=307hz 圖3-4 相頻特性圖 圖3-5時域仿真圖1 圖3-6時域仿真圖2通帶截止頻率334hz，阻帶截止頻率741hz由圖可知當(dāng)輸入頻率為500hz時，全部通過，根據(jù)相位特性知有180度的相移，反相當(dāng)輸入頻率為2000hz時，還有分量通過，可知此帶通濾波器的濾波性能不高 圖3-7 沖激響應(yīng)圖 圖3-8 階躍響應(yīng)圖觀察硬件測試 圖3-9 沖激響應(yīng)圖 圖3-10 階躍響應(yīng)圖與仿真結(jié)果符合3.3改變參數(shù) 改變Ra3數(shù)值，Ra3=100 圖3-11幅度響應(yīng)圖由圖

13、3-10可知中心頻率為5.5khz 圖3-12沖激響應(yīng)圖 圖3-1階躍響應(yīng)圖2.4matlab測試系統(tǒng)函數(shù)公式其中R19=82k，R18=20k，C=0.01uF，Ar=2，=500Hz，=32.115k Matlab程序R1=32115;R19=82000;R18=20000;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=0,c1*R19,0;a=R18*R19*c1*c1,2*c1*R18,1+R18/R1;y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title('階躍響應(yīng)')figure(2)plot(y2)tit

14、le('沖激響應(yīng)')figure(3)bode(b,a) 圖3-14帶通濾波器沖激響應(yīng) 圖3-15 帶通濾波器階躍響應(yīng) 圖3-16帶通濾波器幅頻與相頻響應(yīng)與仿真結(jié)果符合4. 二階有源全通通濾波器4.1設(shè)計原理圖 圖4-1全通濾波器原理圖4.2仿真測試圖頻域仿真圖 圖4-2 幅度特性 圖4-3相頻特性圖 圖4-4全通濾波器時域圖 圖4-5沖激響應(yīng)圖 圖4-6階躍響應(yīng)圖觀察硬件測試 圖4-7沖激響應(yīng)圖 圖4-8階躍響應(yīng)圖硬件測試與仿真結(jié)果符合其中焊接元件清單表4-1 元件清單及其焊接安裝位置名稱型號規(guī)格封裝數(shù)量元件序號元件安裝位置鉭貼片電容10uF，25V12064C1，C2，C3

15、，C4底層（有極性）貼片電容0.1uF，50V，X7R，10%12064C5，C6，C7，C8底層貼片電容0.01uF， ECHU1H103GX5薄膜電容，50V，2% 12068C9，C10，C11，C12，C13，C14，C15，C16底層貼片LED紅08051D1頂層（有極性）貼片LED白08051D2頂層（有極性）貼片LED綠08051D3頂層（有極性）貼片LED藍(lán)08051D4頂層（有極性）PTC保險絲50mA12104F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4底層（無極性）貼片電阻15k，1%12061R1底層貼片電阻6.8k，1%12061R2底層貼片電阻2k，1%12061R3底層貼片電阻20k，

16、1%12069R4，R8，R9，R13，R14，R18，R24，R26，R27底層貼片電阻10k，1%120610R6，R7，R11，R12，R16，R17，R20，R22，R23，R25底層貼片電阻82k，1%12061R19底層運放NE5532SO-83U1，U2，U3底層運放TL084ACSO-141U4底層測試環(huán)K1B729T0T8頂層插線孔K2A3321H1H8，GND，Ra1Ra4，Rb1，Rb2頂層DB9公頭焊板式DB9/F2J1，J2底層元件焊接工藝要求： 元件上有文字標(biāo)注的貼片器件，除了因引腳排列和極性要求之外，應(yīng)該盡可能保持文字方向一致，并與PCB板上的絲印文字方向相同。有極性的元件（鉭電容，發(fā)光二極管等），其陽極位置均已在PCB上以“+”標(biāo)注，安裝時應(yīng)確保極性正確。除測試環(huán)（K1B72）之外，所有元件在焊接時均緊貼PCB板面，位置端正。測試環(huán)（K1B72）焊接時，測試環(huán)兩端在焊接面（底層）的突出量控制在0.51mm，焊接后突出部分無需剪除。除特別指出之外，焊接時恒溫烙鐵溫度調(diào)至250280為宜。焊點光滑，焊錫量適度，元件焊接牢固可靠，杜絕虛焊。DB9