廣工測控電路課程設(shè)計有源濾波器

1、測控電路課程設(shè)計題目名稱有源濾波器設(shè)計學(xué)院信息工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)專業(yè)班級計算機(jī)測控方向13（ 1 ）班姓名黎均學(xué)號3113002300目錄摘要2.一、設(shè)計任務(wù)3.一、設(shè)計原理分析 錯誤!未定義書簽。1、正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析。 42、計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù) 63、利用matlab繪制濾波器幅頻曲線和相頻曲線。 8二、電路仿真9.三、改進(jìn)后的實際電路圖 12四、產(chǎn)品實物圖及實驗結(jié)果 14五、實驗結(jié)果分析 15六、心得體會16七、參考文獻(xiàn)17八、附錄1719摘要在主要學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、測控電路與信號分析與調(diào)節(jié)的專業(yè)基 礎(chǔ)上，針對測控電路課程設(shè)計要求，設(shè)計

2、正弦波波形產(chǎn)生電路和有源濾波器， 帶通濾波器，是有選擇性傳輸特定頻率范圍內(nèi)信號的電路稱為濾 波器，其功能是：允許規(guī)定頻率范圍內(nèi)的有用信號通過，不允許 規(guī)定之外的干擾信號通過其中主要包括兩個電路結(jié)構(gòu)，為一個1500Hz正弦 波產(chǎn)生電路與一個壓控電壓源二階帶通濾波器， 其中壓控電壓源二階帶通濾波器 設(shè)計指標(biāo)要求為：通帶中心頻率 f o 1500 Hz;通帶電壓放大倍數(shù) Auo 2 ;通帶帶寬f=100Hz的帶通濾波器，選擇有源壓控電壓源二階濾波器快速設(shè)計法為設(shè)計方案，并通過有關(guān)電路知識計算出該方案所需要的電阻、電容、運(yùn)算放大器參數(shù)，然后通過proteus軟件仿真并焊制電路板，從而實現(xiàn)對所選的電路設(shè)

3、計方案 進(jìn)行調(diào)試，驗證方案的正確性，最后將實際設(shè)計制作出的濾波器與仿真得到的模 擬濾波器進(jìn)行波形比較、分析誤差產(chǎn)生的原因。proteus 仿真關(guān)鍵字：有源壓控電壓源 帶通濾波器 文氏正弦震蕩電路、 設(shè)計任務(wù)一、課程設(shè)計的內(nèi)容1、（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）計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)；2、電路仿真 根據(jù)有緣濾波器電路工作原理， 選用相應(yīng)軟件實現(xiàn)電路的仿真， 并畫出電 路各點的信號波形，觀測有源濾波器隨著輸入信號頻率的變化，有緣濾波器 輸出信號的變化。3、使用proteus繪制電路原理圖，布局pcb板，使用電烙鐵制作

4、電路板，根據(jù) 系統(tǒng)原理圖及所選擇的元件及參數(shù)，購買相應(yīng)元器件，完成電路板焊接、調(diào)試。二、課程設(shè)計的要求及數(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)計報告三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1、電路原理圖設(shè)計；2、電路工作原理設(shè)計；3、電路參數(shù)計算與分析；4、電路原理仿真；5、電路制作、調(diào)試；6、撰寫設(shè)計報告；7、實物演示與答辯。、設(shè)計原理分析1、正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析 文氏橋正弦波振蕩電路能產(chǎn)生振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍寬、 波形好的正弦波， 廣泛應(yīng)用 于通信系統(tǒng)。文氏橋正弦波振蕩由文氏電橋與一個集成運(yùn)放 lm384 組成的同相放 大電路組成，如圖 1

5、 所示。文氏電橋的兩個臂 RC 串一并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，另外兩個 臂由放大電路的反饋電阻構(gòu)成。令 R仁R2=R, C1=C2=C, R3+R4=Rf，根據(jù)文氏 橋正弦波振蕩電路的振蕩條件，可以推出放大電路的電壓增益 Av=1+Rf / R5> 3， 即Rf > 2R5文氏橋正弦波振蕩電路的理論振蕩頻率為 f0=1 /（2n RC）。由于電源 電壓的波動、 電路參數(shù)的變化、 環(huán)境溫度的變化等因素的影響， 使正弦波的輸出 幅 度 不 穩(wěn) 定 。 這 里 采 用 二 極 管 來 穩(wěn) 幅 和 加 速 起 振 。1DOOHZ正弦液產(chǎn)生電路（文或電僑撮蕩器1Z1D.OIUF516KR1戰(zhàn)恚電 htt

6、p i /hi.0.01UFC2-+AlR410K電:品舉鱉臂.t3LOKIR%D1#D2與舸組成電橋的 另外昭兩臂,起穩(wěn)定撮嬉的 咋用適當(dāng)調(diào)節(jié)W1,可以得 列渡張黃真小，且工作穩(wěn)定 的輸出渡毛千制作網(wǎng)baidu cOKi/diydsW151瓦£o= i2yRlR2ClC2M昱艾了克服二板管死麗而設(shè)的.由于撮蕩器閔愉出阻抗毀高，直接連在負(fù)戦 上會影響它的莊常工作-團(tuán)中恵2作齒同問舷 大器接到提蕩暮的輸出魂 據(jù)藹倍號從騒的 愉出端弓出，輸出信號幅廈有腔迴整.文氏電橋正弦產(chǎn)生電路原理圖2、RC有源帶通濾波器的的工作原理RC有源濾波總框圖RC網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器原理子框的作用1.RC網(wǎng)絡(luò)的作

7、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，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(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益RVF=1+R5/R4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(luò)的作用將 輸出信號的一部分或全部通過反饋電路影 響輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、一個理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶， 在通帶內(nèi)沒有放大或者 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)換在極小的 頻率范圍完成實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率

8、范圍外的 所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的 范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來表示。通常，濾波器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn) 波紋”這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。在頻帶較低的剪切頻率fl和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波 器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和fl之間的差值3、計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)(a) 相關(guān)公式壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖 2所示，電路的傳輸函數(shù)為:Au(s

9、)2sC R3RiAfsRC1 (1Af) sR2111R3CRR2AuoosQs2Qso上式中:o 12是帶通濾波器的中心角頻率。2分別為帶通濾波器的高、低截止角頻率。中心角頻率:111 R3C2 R1R2R31R2(1Af)S 2壓控吐壓源二階帶通濾被器中心角頻率o處的電壓放大倍數(shù):AuoAfR11R11R2(1 "R3上式中：Af1R4通帶帶寬:BW2 1或ff2f1BW012 11(1Af)JQ0fo(BW0時)Q CR3R1R2BWf(b) 參數(shù)計算有 Cl C2 C, R4 R5 , 取 R4 和 R5 為 47k, 3= C2=10 nF 則 Af=2。根據(jù)設(shè)計要求，Q

10、=15 , Auo =2 , fo=15OOhz。代入計算公式得出 R1=159K , R2=7.5K,R3=15K。(c) 元器件的指標(biāo)本次實驗使用的是 LM358 芯片LM358 雙運(yùn)放簡介LM358 內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合 于電源電壓范圍很寬的單電源使用， 也適用于雙電源工作模式， 在推薦的工作條 件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。 它的使用范圍包括傳感放大器、 直流增益模塊 和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合，應(yīng)用很廣。LM358 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。LM358 主要特性如下：1 、內(nèi)部頻率補(bǔ)償2、直流電壓增益高

11、 (約 1OOdB) 3、單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 4、3、電源電壓范圍寬： 單電源(330V)；雙電源(土 1.5 一土 15V)5、低功耗電流，適合于電池供電6、低輸入偏流7、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流8、共模輸入電壓范圍寬，包括接地9、差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍10、輸出電壓擺幅大 (0 至 Vcc-1.5V)3、利用matlab繪制濾波器幅頻曲線和相頻曲線。根據(jù)matlab繪制的濾波器幅頻曲線和相頻曲線如圖3所示。圖3濾波器系統(tǒng)幅頻和相頻曲線、電路仿真a.我們此次設(shè)計采用proteus仿真軟件對電路功能進(jìn)行仿真。仿真原理圖如下圖4所示。圖4 proteus仿真原理圖正弦

12、震蕩電路仿真中心頻率出濾波器波形DigitaJ OscilloscopeW截止頻率處濾波器波形0 1 iS*F -JCX'b在確定好了電路、計算出元器件，仿真正確之后，首先對電路進(jìn)行整 體布局，電路焊接步驟大致如下：1. 需要進(jìn)行整體布局的構(gòu)思，使元器件分布合理、整體美觀；2. 遵循先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等原則；3. 布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；4. 最好分模塊安裝。此外焊接時不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因為 有些器件，不能耐高溫，電烙鐵不能停留太久。焊接好實驗電路后，開始進(jìn)行實驗調(diào)試。仔細(xì)檢查安裝好的電路， 確定元件與

13、導(dǎo)線連接無誤后，然后接通電源調(diào)試。然后在電路的 輸入端加入正弦信號，慢慢改變輸入信號的頻率（注意保持輸入信號 的值不變）若沒有濾波特性，應(yīng)檢查電路，根據(jù)產(chǎn)生的問題，加上對原理圖的分析，首先 找到可能出錯的地方，前期調(diào)試實驗過程中發(fā)現(xiàn)，波形不穩(wěn)定，則 可能是由于芯片接的電源，因為其幅值是從截止頻率起始的，波 動非常大，加入足夠容量的電容進(jìn)行濾波后，因電容的充放電效 應(yīng)，該脈動直流就會變成紋波不大的直流電。還有可能因為示波 器或函數(shù)信號發(fā)生器本身的原因，此時可以用排除法，這樣調(diào)試 的時候可以分塊檢查，排除到最后就是錯誤所在。若電路具有濾波特性，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試。對于低通和高通濾波器應(yīng)觀測其 截止頻

14、率是否滿足設(shè)計要求，若不滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)有關(guān)的公 式，確定應(yīng)調(diào)整哪一個元器件才能使截止頻率既能達(dá)到設(shè)計要求又不會 對其它的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響。此外，還需要多次上電調(diào)試，調(diào)試時應(yīng)小心謹(jǐn)慎，檢查是否有不 穩(wěn)定的情況發(fā)生。在調(diào)試過程中尤其要注意電路中的虛焊，如果電路不穩(wěn) 定，很有可能是虛焊引起的。二、改進(jìn)后的實際電路圖1、正弦波振蕩電路我們按照上面的電路圖經(jīng)過第一次嘗試焊接并測試后發(fā)現(xiàn)， 出來的正弦波頻率在2、改進(jìn)后的帶通濾波器電路也是經(jīng)過了按照仿真電路焊接的第一次失敗的嘗試，發(fā)現(xiàn)濾波的幅值與輸入波的幅值之比為1.5左右，通過分析得出r9、r10的精度有差別，后在r9、r10之間加入了一個可滑動的

15、變阻 Rv1 (20k)四、產(chǎn)品實物圖及實驗結(jié)果圖7作品實物圖圖8 1.5kHz正弦波產(chǎn)生效果圖圖9濾波器效果圖四、實驗結(jié)果分析1、實驗結(jié)果I. 實驗結(jié)果顯示，正弦波振蕩電路產(chǎn)生的正弦波頻率大概為1428hz，與實際要求的1500hz相差72hz,相對誤差為4.8%。帶通濾波器電路的中心頻率為1388hz, 接近要求的1500hz，而中心頻率的增益也大約為 2，符合要求。II. 濾波器的中心頻率f 0 1500 HZ時，增益可以達(dá)到2倍，上截止頻率=1417hz下截止頻率=1363hz通帶=54hzQ實際=25但是通帶達(dá)到54左右，與實際要求偏差較大，即品質(zhì)因數(shù)Q實際=25與Q理論15相差1.

16、7倍2、誤差分析i.由于正弦波震蕩電路的用于調(diào)節(jié)頻率的滑變電阻調(diào)節(jié)精度較低，因此難以調(diào)節(jié)到準(zhǔn)確的頻率ii.針對濾波器上下截至頻率誤差較大，主要因素是Ri, R2, R3三個電阻值在不能達(dá)到理論值，電阻值存在誤差，改變增益 Af 的 R4， R5 的阻值沒達(dá)到完全相 等，電路中的電容也會改變五、心得體會這次的課程設(shè)計的意義在于將理論知識應(yīng)用于實踐上， 發(fā)現(xiàn)理論跟實踐的區(qū) 別。我們在這次課設(shè)中遇到了很多問題， 雖然早早就焊好了電路板， 但是在測試的過程中卻一直得不到理想的波形，檢查了很多遍，從一 開始的迷茫到檢查出電路電源飛線接錯的開心到依舊得不到理想波 形，期間燒壞掉運(yùn)放，節(jié)點要接的沒接上，這些

17、都改好了但是卻依然 不行，調(diào)試了很多遍依然不行只能進(jìn)行第二次的電路焊接，有第一次 的焊接 經(jīng)驗 跟錯 誤總 結(jié) 第二 次的 焊接 很順 利的 進(jìn)行 也進(jìn) 行了 改良，但 等到濾波器調(diào)試波形時卻出現(xiàn)了第一次的問題調(diào)不出理想波形，檢查 了電路連接運(yùn)放連接及每個焊接點最后發(fā)現(xiàn)是運(yùn)放少了一個短腳，換 了以后終于可以了有波形出來了，在經(jīng)過反復(fù)的調(diào)電阻協(xié)調(diào)終于得到 理想波形，但是卻又有誤差一直無法避免，元件性能對電路影響非常 大特別是精密儀器， 稍有偏差， 結(jié)果就差別很大， 耐心真的很重要， 經(jīng)歷從一只不知道什么問題到發(fā)現(xiàn)一個問題解決問題是真的很開心 但又還是不行的失落心煩，焊接電路時的細(xì)心能避免很多問題調(diào)試的 每一步都會影響到輸出波形，要一步一步發(fā)現(xiàn)問題解決問題，這次的 課設(shè)很有意義，能 對自己所學(xué)有一個了解也提高我們動 手能力，看 著 簡單的電路板自己去悍就不會這么想了，團(tuán)隊的合作很重要，相互彌 補(bǔ)不足共同發(fā)現(xiàn)問題解決問題一起進(jìn)步。六、參考文獻(xiàn)1 張國雄等編 .測控電路 .機(jī)械工業(yè)出版社 .2001.8.2 趙負(fù)圖主編 .現(xiàn)代傳感器集成電路 .人民郵電出版社 .2000.1.