RC有源濾波器的課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告， 2011 2012 學(xué)年 第 二 學(xué)期 RC有源濾波器的設(shè)計(jì) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目： RC有源濾波器的設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 10自動(dòng)化（2） 姓 名： 張樂(lè) 夏安 姚培 鄭雷 指導(dǎo)教師： 江春紅 電氣工程系2012年5月25日1、任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)RC有源濾波器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）江春紅 執(zhí)行時(shí)間2011 2012 學(xué)年第 二 學(xué)期 第 14 周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)張樂(lè)1009111114RC有源低通濾波器的設(shè)計(jì)夏安1009111092RC有源高通濾波器的設(shè)計(jì)姚培1009111102RC有源帶阻濾波器的設(shè)計(jì)鄭雷1009111130RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)設(shè)

2、計(jì)目的1、學(xué)習(xí)RC有源濾波器的設(shè)計(jì)方法；2、掌握有源濾波器的測(cè)試方法；3、測(cè)量有源濾波器的幅頻特性。設(shè)計(jì)要求1、由運(yùn)算放大器組成有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器。2、通頻帶小于12000。3、測(cè)量設(shè)計(jì)的有源濾波器的幅頻特性。4、選用通用運(yùn)算放大器，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益應(yīng)在80dB以上。摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬電子技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)應(yīng)用范圍極廣，具有較強(qiáng)實(shí)踐性的技術(shù)基礎(chǔ)課程。電子電路分析與設(shè)計(jì)的方法也發(fā)生了重大的變革，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，更好的將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，以適應(yīng)電子技術(shù)飛速的發(fā)展形勢(shì)，我們必須通過(guò)對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的理解，從而進(jìn)一步提高我們的實(shí)際動(dòng)手能力。濾波器在日常生活中非常重要，運(yùn)用

3、非常廣泛，在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種濾波器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的濾波器與其他濾波器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。濾波器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過(guò)對(duì)濾波器器的原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠低通、高通、帶寬、阻帶等多種形式的濾波器。我們通過(guò)對(duì)電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最合適本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟(jì)、最方便、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案選擇具體的元件，焊接出具體的實(shí)物，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)事物進(jìn)

4、行調(diào)試，觀察效果是否與課題要求的性能指標(biāo)作對(duì)比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。目錄第一章RC有源濾波器總方案設(shè)計(jì).51.1 方案框圖.51.2 子框圖的作用.51.3 方案選擇.5第二章 RC低通有源濾波器的設(shè)計(jì).72.1低通濾波器的電路設(shè)計(jì).72.2低通濾波器的設(shè)計(jì)原理.72.3 參數(shù)選擇.72.4 仿真.72.5 小結(jié).9第三章 RC高通有源濾波器的設(shè)計(jì).1031 高通濾波器的電路設(shè)計(jì).103.2 高通濾波器的設(shè)計(jì)原理.103.3 高通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù).113.4 仿真. .113.5 小結(jié).12第四章 RC帶通有源濾波器的設(shè)計(jì).144.1 RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì).144.2 C有

5、源帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理. . .14 4.3 參數(shù)計(jì)算.144.4 仿真.144.5 小結(jié).16第五章 RC帶阻有源濾波器的設(shè)計(jì).185.1 有源帶阻濾波電路的設(shè)計(jì).185.2 有源帶阻濾波電路的設(shè)計(jì)原理. .185.3 參數(shù)計(jì)算.185.4 仿真.185.5 小結(jié).20總結(jié)與體會(huì).21參考文獻(xiàn).21附錄.22答辯記錄及評(píng)分表.23第一章 總方案設(shè)計(jì)11方案框圖 圖1-1 RC有源濾波總框圖1. 2.子框圖的作用1 . RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)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(yùn)用了同相輸入運(yùn)放

6、，其閉環(huán)增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。3 .反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 將輸出信號(hào)的一部分或全部通過(guò)牧電路印象輸入端，稱(chēng)為反饋，其中的電路稱(chēng)為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。1. 3.方案選擇濾波器在通信測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻（通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無(wú)窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來(lái)逼近理想濾波器的頻率特性。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線(xiàn)性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積和重

7、量過(guò)大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-31010-5）/攝氏度，頻率精度為+（35）%，并可用簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)來(lái)得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒(méi)有特殊的說(shuō)明時(shí)一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。1. 關(guān)于濾波器類(lèi)型的選擇一階濾波器電路最簡(jiǎn)單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢

8、，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好2. 級(jí)數(shù)選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)確定。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(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿(mǎn)足n大于等于m/6(或n大于等于m/2

9、0)。3. 運(yùn)放的要求在無(wú)特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。為了滿(mǎn)足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增應(yīng)在80dB 以上。對(duì)運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為Fh,則運(yùn)放的單位增益寬帶應(yīng)滿(mǎn)足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。 如果濾波器的輸入信號(hào)較小，例如在10mV以下，則選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過(guò)100k，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。4. 元器件的選擇一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常

10、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?dāng)?shù)目，因此有許多個(gè)元件均可滿(mǎn)足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱(chēng)值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。第二章 RC有源低通濾波器的設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單一階低通濾波器 2.1有源低通濾波器的電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一階有源低通濾波器的實(shí)際電路如下圖 圖 2-1 簡(jiǎn)單一階低通濾波器2.2一階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)原理：傳遞函數(shù)：AU(S)=UO(S)/Ui(S)=(1+R2/R1)UP(S)/Ui(S) =（1+R2/R1）1/(1+sRC) 用jw取代s，且令f0=1/2piRC,

11、得出電壓放大倍數(shù)： AU=(1+R2/R1) ·1/(1+jf/f0) 其中f0稱(chēng)為特征頻率。令f=0，可得到通帶放大倍數(shù) AUP=1+R2/R12.3參數(shù)計(jì)算集成運(yùn)放：OPAMP 3T VIRTUAL參數(shù)選擇： 電容C=0.01uf fH=1/2piRCR=16K 取R1=R2=1K2. 4 仿真 1.一階有源低通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖2-22.輸入輸出波形如下：圖2-3A通道是輸出波，輸入的為正弦波；B通道是輸入波，輸出的也為正弦波。3.相頻特性如下： 圖2-44.幅頻特性如下： 圖2-52.5小結(jié)：在設(shè)計(jì)有源低通濾波器時(shí)，由于沒(méi)有參數(shù)要求，所以本次課題設(shè)計(jì)中

12、選擇了常用一階電路，選擇的截止頻率為1000HZ。通過(guò)示波器得到的波形，發(fā)現(xiàn)輸入和輸出是頻率相等的正弦波。在幅頻特性曲線(xiàn)中，可以看出一階低通濾波器的過(guò)渡帶較寬，阻帶衰減太慢，幅頻特性的最大衰減斜率僅為-20db/十倍頻，所以我們可以知道低通濾波器的選擇性較差。第三章 RC有源高通濾波器壓控電壓源二階高通濾波器的設(shè)計(jì)3.1壓控電壓源二階高通濾波器的電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)壓控電壓源二階高通濾波器的實(shí)際電路如下圖 圖 3-1 壓控電壓源二階高通濾波器3.2二階高通濾波器的設(shè)計(jì)原理：1. 電路的傳遞函數(shù): 2.電路的通帶放大倍數(shù)： 3電路的截止頻率： 4.電路的品質(zhì)因素：3.3參數(shù)選擇：Rf=5.1k R1=

13、5.1k C=0.01uF R=10k計(jì)算得：Auo=2 fc=3120Hz3.4 仿真 1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖 3-22.輸入輸出波形如下：圖 3-33.幅頻特性如下：圖 3-44相頻特性如下：圖 3-55. 小結(jié)：該高通濾波器的通頻帶的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。從圖中可以看出截止頻率與理論計(jì)算值誤差很小，所以本方案可行。第四章 RC有源帶通濾波器 無(wú)限增益多路反饋高通濾波器的設(shè)計(jì)4.1 RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)多路反饋高通濾波器電路圖如下 圖4-1 多路反饋高通濾波器4.2 多路反饋高通濾波器的設(shè)計(jì)原理：Auf =

14、1+當(dāng)C1=C2=C, R1=R3=R, R2=2R時(shí)，電路的傳遞函數(shù): Au(s)=Auf(s)(SRC/1+3-Au f(s)SRC+SRC2)4.3參數(shù)選擇R1=3k R2=1.5k R3=300 R4=1.5k R5=40k C1=C2=0.01uF 4.4仿真1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖4-22.輸入輸出波形如下：圖4-33.相頻特性如下：圖4-44.幅頻特性如下：上截止頻率：圖4-5下截止頻率：圖4-65.小結(jié)由此電路可知，電阻R1與C組成低通濾波器，后面一個(gè)電容C與電阻R2組成高通濾波器，二者串聯(lián)在一起組成帶通濾波器。除此之外，R4與Rf組成同相比例運(yùn)

15、算電路，R3則是為改善電路特性而引入的反饋。帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。第五章 RC有源帶阻濾波器5.1 RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)多路反饋高通濾波器電路圖如下：圖5-15.2 多路反饋高通濾波器的設(shè)計(jì)原理：中心頻率fo=1/2RC;帶寬 f2-f1=2（2-Kf）；增益 Kf=1+RF/Rf;Q點(diǎn) Q=1/2(2-Kf)；5.3參數(shù)選擇R1=R2=2R3=78k；C1=C2=C3/2=1.0nF；R5=RF=10k R4=Rf=8k;5.4仿真1. 二階高

16、通濾波器在multisim中的仿真圖如下：圖5-22.輸入輸出波形如下：圖5-32. 幅頻特性如下：下截止頻率：圖5-4上截止頻率：圖5-53. 相頻特性如下：圖5-64.小結(jié)：有源帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于確定電路圖，我設(shè)計(jì)的方案必須自己構(gòu)思不能和課本上的一樣，在經(jīng)過(guò)一系列的查詢(xún)和思考后才確定了該方案，在仿真中也有一些相位失真，說(shuō)明這個(gè)有源帶阻濾波器的方案還有需要改進(jìn)的地方，外圍電路中的電阻電容值還不夠好。但限于時(shí)間和能力，只能做成這個(gè)樣子。并且我也從中收獲了不少的東西。不過(guò)我覺(jué)得總體上應(yīng)該沒(méi)太大的錯(cuò)誤吧 雖然設(shè)計(jì)原理不是自己的，但是通過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)有源帶阻濾波器有了更為深刻的認(rèn)識(shí)了，收獲頗多

17、!總結(jié)與體會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的時(shí)間,從任務(wù)分配,閱讀相關(guān)文獻(xiàn),搜索資料到最后編寫(xiě),在緊張而有序的氛圍中完成了課題。第一次接觸到此類(lèi)課題，感覺(jué)無(wú)從下手。一方面，由于長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有接觸到此類(lèi)問(wèn)題的原因;另一方面,就是我們小組對(duì)RC有源濾波器各方面知識(shí)的欠缺。在查找各相關(guān)文獻(xiàn)后得知：濾波器在通信測(cè)量和控制系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無(wú)窮大的衰減。當(dāng)然實(shí)際的濾波器據(jù)此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來(lái)逼近理想濾波器的頻率特性。 本次課題為RC有源濾波器低通，高通，帶通和帶阻的設(shè)計(jì)。任務(wù)量雖然不多，但設(shè)計(jì)時(shí)卻比較棘手，再把電路圖設(shè)計(jì)好后，我們還

18、需要對(duì)各器件設(shè)置一定的參數(shù)使其控制在課題給定的要求范圍內(nèi)。最后，進(jìn)行仿真。從仿真中得出的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證這些參數(shù)的準(zhǔn)確性。整個(gè)過(guò)程度比較繁瑣，單靠個(gè)人來(lái)完成就更加困難了，所以需要一個(gè)小團(tuán)隊(duì)來(lái)共同完成。從中我們也體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的力量和樂(lè)趣，也學(xué)會(huì)了很多書(shū)本以外的知識(shí)。 此次課題的制作也在一定程度上增強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力和從茫茫文獻(xiàn)中提取有用知識(shí)的能力，從中我們也認(rèn)識(shí)到了自身專(zhuān)業(yè)知識(shí)的欠缺，今后需要更加努力。整個(gè)過(guò)程雖累但并快樂(lè)著！參考文獻(xiàn)1.電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試華中科技大學(xué)出版社。 2.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光 高等教育出版社。 3.模擬電子技術(shù)胡宴如 主編 高等教育出版社。4.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)童詩(shī)白，華成英 主編 高等教育出版社。附錄濾波器電阻k電容F截止頻率(計(jì)算值)HZ截止頻 率（實(shí)際值）HZ通頻帶誤差%低通R=16R1=R2=1C=0.01fp=1000fp=1065小于106