模電課程設(shè)計(jì)有源帶通濾波器

1、1濾波器的簡介在電子電路中，輸入信號(hào)的頻率有很多，其中有些頻率是需要的工作信號(hào)，有些頻率是不需要的干擾信號(hào)。如果這兩個(gè)信號(hào)在頻率上有較大的差別，就可以用濾波的方法將所需要的信號(hào)濾出。濾波電路的作用是允許模擬輸入信號(hào)中某一部分頻率的信號(hào)通過，而阻斷另一部分頻率的信號(hào)通過。凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。 1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)

2、50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致了RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。 我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時(shí)

3、主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。濾波器的分類 實(shí)際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓大家了解濾波器的大體類型，有個(gè)總體概念就行了。濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。（1）按處理信號(hào)類型分類可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個(gè)分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣

4、模擬、混合三個(gè)分類。當(dāng)然，每個(gè)分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)。 （2）按選擇物理量分類 濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時(shí)間選擇（例如PCM制中的話路信號(hào)）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3）按頻率通帶范圍濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個(gè)類別。有源濾波器的介紹有源濾波器由下列一些有源元件組成：運(yùn)算放大器、負(fù)電阻、負(fù)電容、負(fù)電感、頻率變阻器（FDNR）、廣義阻抗變換器（GIC）、負(fù)阻抗變換器（NIC）、正阻抗變換器（PIC）、負(fù)阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四種受控源，另外，還有病態(tài)元件極子和零子。 1965年單片集成運(yùn)算放大器問

5、世后，為有源濾波器開辟了廣闊的前景。70年代初期，有源濾波器發(fā)展引人注目，1978年單片RC有源濾波器問世，為濾波器集成邁進(jìn)了可喜的一步。由于運(yùn)放的增益和相移均為頻率的函數(shù)，這就限制了RC有源濾波器的頻率范圍，一般工作頻率為20kHz左右，經(jīng)過補(bǔ)償后，工作頻率也限制在100kHz以內(nèi)。1974年產(chǎn)生了更高頻的RC有源濾波器，使工作頻率可達(dá)GB/4（GB為運(yùn)放增益與帶寬之積）。由于R的存在，給集成工藝造成困難，于是又出現(xiàn)了有源C濾波器：就是濾波器由C和運(yùn)放組成。這樣容易集成，更重要的是提高了濾波器的精度，因?yàn)橛性碈濾波器的性能只取決于電容之比，與電容絕對(duì)值無關(guān)。但它有一個(gè)主要問題：由于各支路元件

6、均為電容，所以運(yùn)放沒有直流反饋通道，使穩(wěn)定性成為難題。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用連續(xù)的開關(guān)電阻（SR）去替代有源RC濾波器中的電阻R，就構(gòu)成了SRC濾波器，它仍屬于模擬濾波器。但由于采用預(yù)置電路和復(fù)雜的相位時(shí)鐘，使這種濾波器發(fā)展前途不大。 總之，由RC有源濾波器為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器，體積小，Q值可達(dá)1000，克服了RLC無源濾波器體積大，Q值小的缺點(diǎn)。但它仍有許多課題有待進(jìn)一步研究：理想運(yùn)放與實(shí)際特性的偏差的研究；由于有源濾波器混合集成工藝的不斷改進(jìn)，單片集成有待進(jìn)一步研究；應(yīng)用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續(xù)探索；元件的絕對(duì)值容差的存在，

7、影響濾波器精度和性能等問題仍未解決；由于R存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（20%30%），線性度差等缺點(diǎn)，使大規(guī)模集成仍然有困難。盡管有這么多問題，RC有源濾波器的理論和應(yīng)用仍在持續(xù)發(fā)展中。2有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，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。二階壓控型有源帶通濾波器是由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，從而實(shí)現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。運(yùn)放電路的工作原理LM324是四運(yùn)放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝，引腳排列見圖2.2。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器, 除電源共用外,四組運(yùn)算放大器互相獨(dú)立。

8、每一組運(yùn)算放大器可用圖2.1所示的符號(hào)來表示,它有5個(gè)引出腳,其中“Vi+”、“Vi-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“V+”、“V-” 為正、負(fù)電源端,“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 運(yùn)算放大器符號(hào)LM324管腳連接圖由于LM324四運(yùn)放集成電路既可接單電源使用（330V），也可以接雙電源使用（±±15V），不需要調(diào)零，具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。有源帶通濾波器的工作原理帶通濾

9、波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，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。典型的帶通濾波器可以由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，從而實(shí)現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖如圖2.3所示。圖2.3二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖有源帶通濾波器的具體電路如圖所示。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)算電路，R3則是為改善電路特性而引入的反饋。圖2.4 有源帶通濾波器電路圖 幅頻特

10、性曲線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，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。其有較好的幅頻特性，幅頻特性曲線如圖2.5所示。計(jì)算電路性能參數(shù):Auf =UoUi=1+RfR4當(dāng)C1=C2=C,R1=R3=R,R2=2R時(shí)，電路的傳遞函數(shù):Au(s)=Auf(s)sRC1+3-AufssRC+sRC2（1.1） 設(shè)中心頻率f0=1 2RC,電壓放大倍數(shù) Au=Auf3-Auf 11+j13-Auf *（ff0-f0f)（1.2）當(dāng)f=f0時(shí)，得出通帶放大倍數(shù) Aup=Auf|3-Auf|=QAuf（1.3）使式（1.2）分母的模為2，即使式（1.2）的分母虛部

11、的絕對(duì)值為1，即解方程取正根，就可得到下限截止頻率fp1和上限截止頻率fp2分別為fp1=f023-Auf2+4 - (3-Auf)（1.4）fp2=f023-Auf2+4+(3-Auf)（1.5）通頻帶為：fbw=fp2-fp1=|3-Auf|f0= f0Q根據(jù)課設(shè)要求：通帶范圍為50Hz-20KHz，帶內(nèi)電壓變化小于，確定中心頻率為f0=1kHz，再根據(jù)式（1.4）和（1.5）計(jì)算出Auf=3根據(jù)中心頻率選擇uF的電容，Rf=2R4，取R4=1.5k則解得：R1=300 R2=k R3=3 k R4=1.5k R5=3kC1=C2=在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)得：R1=280 R2k R

12、3=3.3 k R4k R5=3.2 kC1C2=uF3直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)很多電子設(shè)備、家用電器都需要直流電源供電，其中除了少量的低能耗、便攜式的儀器設(shè)備選用干電池供電外，絕大多數(shù)的電子設(shè)備正常工作需要直流供電，而常用的電源市電是220V的交流電，因此需要把交流電變成直流電。變換的方法就是由交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)步驟來獲得直流穩(wěn)壓電源。工作原理直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備中最基本、最常用的儀器之一。它一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)如圖所示。直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)圖變壓電路的作用是將220V的交流電變換成電路所需的低壓交流電；整流電路的作用是將交

13、流電變換成具有直流電成分的脈動(dòng)直流電；濾波電路的作用是將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，較少交流成分，增加直流成分；穩(wěn)壓電路的作用是對(duì)整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。單相橋式全波整流電路的工作原理整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流電變成脈動(dòng)直流電的電路。單相橋式全波整流電路由四個(gè)二級(jí)管組成，整流堆管腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該電路的整流效果和輸出電壓波形，為單相半波整流電路的二倍。橋式整流電路的簡化電路圖如圖3.3所示。整流堆管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 橋式整流電路簡化電路圖（1） 參數(shù)的計(jì)算：a直流電壓Uob直流電源Ioc波動(dòng)系數(shù)（2） 參數(shù)選擇根據(jù)二極管的電流ID和二極管所承受的最大反向峰值

14、電壓URM進(jìn)行選擇，即：電容濾波電路的工作原理 電容濾波電路利用電容元件儲(chǔ)能的特性，將整流后輸出的脈動(dòng)直流電壓的能量儲(chǔ)存起來，然后緩慢的釋放給負(fù)載。盡可能地將單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。（1） 參數(shù)的計(jì)算a. 耐壓電流b放電時(shí)間常數(shù)范圍c輸入輸出關(guān)系d波動(dòng)系數(shù)（2） 電容濾波電路的優(yōu)點(diǎn)1）電容濾波電路適用于小電流負(fù)載。2）電容濾波電路的外特性比較軟。3）采用電容濾波時(shí)，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。必須選用較大容量的整流二極管。4）電容濾波后，輸出直流電壓提高了，同時(shí)輸出電壓的脈動(dòng)成分也降低了，而且輸出直流電壓與放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)RLC，Uo=1.4U2，

15、S=0。（3） 參數(shù)選擇電容放電的時(shí)間常數(shù) =RLC愈大，放電過程愈慢，則輸出電壓愈高，同時(shí)脈動(dòng)成分也愈少，即濾波效果愈好。故應(yīng)該選擇一個(gè)大一些的電容。由整流濾波電路把交流電變成直流電的直流電源雖然結(jié)構(gòu)簡單，但它的輸出電壓不穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路的作用是對(duì)整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。本次課程設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓電路選擇用三段集成穩(wěn)壓器7815和7915以及電容組成。電路圖如圖3.4所示。該電路的對(duì)稱性好，溫度特性也近似一致。穩(wěn)壓電路電路圖（1） 集成三端穩(wěn)壓器介紹隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(wěn)壓器具有體積小，外接線路簡單、使用方便、工作可靠和通用性等優(yōu)點(diǎn)，因此

16、在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，基本上取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。這種穩(wěn)壓器只有輸出端、輸入端和公共端三個(gè)引出端，故也稱為“集成三端穩(wěn)壓器” ，簡稱集成穩(wěn)壓器。CW7800、CW7900系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，在使用中不能進(jìn)行調(diào)整。CW7800系列固定輸出正電壓，CW7900固定輸出負(fù)電壓，檔位一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V。（2） CW7815和CW7915外形及連接圖，如圖3.5所示。CW7815外形及連接圖 CW7915外形及連接圖CW7815和CW7915外形及連接圖（3） 保護(hù)電路穩(wěn)壓電路的輸出端接有保護(hù)二極管，如圖3.6所示。如果不接保護(hù)

17、二極管，CW7815輸出電壓通過RL加到CW7915的輸出端，必將CW7915燒毀。在正常工作情況下，兩個(gè)保護(hù)二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，不影響電路的工作。假如，CW7915輸入電壓未接入，此時(shí)CW7815輸出電壓將通過外接負(fù)載接到CW7915的輸出端，使得D3正向?qū)?，將CW7915輸出端輸出電壓鉗位在，保證CW7915不致?lián)p壞。直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路圖所需元件直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)電路如圖3.6所示。元件：（1）變壓器 TS_RF2 一個(gè)（2）橋式整流器 3N246 一個(gè) （3）電容 1000uFuFuF兩個(gè)，220 uF兩個(gè) （4）三端集成穩(wěn)壓器 CW7815，CW7915各一塊4二階有源帶通濾波器

18、仿真測試本次課設(shè)的電路仿真基于仿真軟件multisim11.0。二階有源帶通濾波器仿真電路multisim11.0的有源帶通濾波器的仿真電路仿真記錄結(jié)果圖4.2 下限截止頻率的波特圖Z時(shí)，電壓放大倍數(shù)為-3.011dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“下限截止頻率為50HZ”的要求。圖4.3上線截止頻率的波特圖Z時(shí)，電壓放大倍數(shù)為-3.001dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“上限截止頻率為20KHZ”的要求。圖4.4中心頻率的波特圖如圖4.4所示，當(dāng)輸入頻率為1.011KHZ時(shí)，電壓放大倍數(shù)為-2.5dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“”的要求。5 誤差分析任何實(shí)驗(yàn)過程都難免存在誤差，在課設(shè)過程中，我們要做的是盡量控制理論誤差，

19、使理論設(shè)計(jì)誤差不能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在制作調(diào)試過程中，我們要控制實(shí)驗(yàn)誤差，不能使誤差過大而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于計(jì)算得出的元器件參數(shù)比較理想化，而實(shí)際中用的原件很難匹配所有的參數(shù)，如濾波器中的R1，取值為280，現(xiàn)實(shí)中無法買到阻值為280的電阻，只能通過電阻的串并聯(lián)去盡可能的接近它。而電阻一般有5%的誤差，本身無法達(dá)到精確匹配。至于電容，誤差更大，遠(yuǎn)不止5%（電容的誤差在20%內(nèi)便為合格）。5.2 儀器誤差所有測量儀器都有一定誤差，例如函數(shù)發(fā)生器有50的內(nèi)阻，示波器的本身誤差示數(shù)誤差以及波形的抖動(dòng)造成的誤差。6實(shí)物制作圖6.1 實(shí)物展示圖7 課設(shè)心得這次課程設(shè)計(jì)中不僅驗(yàn)證了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如

20、何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的過程“千里之行始于足下”，我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，這是我大學(xué)的又一個(gè)課程設(shè)計(jì)，對(duì)于我個(gè)人來說，意義重大。在這次課程設(shè)計(jì)中，通過查找相關(guān)書籍和相關(guān)資料，我增長了不少相關(guān)知識(shí)。閱讀相關(guān)書籍后，確定各種電路的模型。通過大量的演算，得出各類元件的參數(shù)，驗(yàn)算求證。運(yùn)用Multisim仿真軟件，繪制相應(yīng)的電路圖，對(duì)計(jì)算出的參