(模電)二階高通濾波器的設(shè)計(jì)

1、 課 程 名 稱 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 題 目 二階高通濾波器的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 名 稱 自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 年 月 日電氣學(xué)院模電課程設(shè)計(jì)任 務(wù) 書設(shè)計(jì)名稱： 二階高通濾波器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間：自 年 月 日起 至 年 月 日止一、課程設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一種基于模擬電子技術(shù)的容許高頻信號(hào)通過、但減弱（或減少）頻率低于截止頻率信號(hào)通過的濾波器。二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求設(shè)計(jì)任務(wù)：1. 分別用壓控電源和無限增益多路反饋二種方法設(shè)計(jì)電路；2. 截止頻率Fc=200Hz；3. 增益AV=2；4. 用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)電路所需的正

2、負(fù)直流電源（±12V）?；疽螅?. 能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的基本功能；2. 至少設(shè)計(jì)兩種方法設(shè)計(jì)電路；3. 要求依據(jù)二階高通濾波器，運(yùn)用模擬電子技術(shù)的理論設(shè)計(jì)、制定實(shí)驗(yàn)方案，并撰寫課程設(shè)計(jì)論文要求符合模板的相關(guān)要求，字?jǐn)?shù)要求3000字以上。電氣學(xué)院模電課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師評(píng)價(jià)表院（部） 年級(jí)專業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 題 目二階高通濾波器的設(shè)計(jì)一、 指導(dǎo)老師評(píng)語指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日 二、 成績?cè)u(píng)定指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日 課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄第一章 方案設(shè)計(jì)與論證21.1 設(shè)計(jì)：用壓控電壓源設(shè)計(jì)二階高通濾波電路21.2 設(shè)計(jì)二：用無限增益多路反饋設(shè)計(jì)高通濾波電路3第二章 單元電路設(shè)計(jì)與參

3、數(shù)計(jì)算32.1 方案一：壓控電壓源二階高通濾波電路32.2 方案二、用無限增益多路反饋設(shè)計(jì)高通濾波電路4第三章 總原理圖及元器件清單43.1 總原理圖43.2 元件清單5第四章 安裝與調(diào)試64.1 焊接64.2 調(diào)試6第五章 性能測(cè)試與分析95.1 輸出電壓的測(cè)量95.2 數(shù)據(jù)處理與誤差計(jì)算105.3 誤差分析10第六章 結(jié)論與心得11參考文獻(xiàn)11第1章 方案設(shè)計(jì)與論證二階高通濾波器是容許高頻信號(hào)通過、但減弱（或減少）頻率低于截止頻率信號(hào)通過的濾波器。高通濾波器有綜合濾波功能，它可以濾掉若干次高次諧波，并可減少濾波回路數(shù)。對(duì)于不同濾波器而言,每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。其在音頻應(yīng)用中也使用低

4、音消除濾波器或者噪聲濾波器。本設(shè)計(jì)為分別使用壓控電壓源和無限增益多路反饋兩種方法設(shè)計(jì)二階高通濾波器。二者電路都是基于芯片ua741設(shè)計(jì)而成。將信號(hào)源接入電路板后，調(diào)整函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率，通過觀察示波器可以看到信號(hào)放大了2倍?，F(xiàn)在工廠對(duì)于諧波的治理,應(yīng)用最多的仍然是高壓無源濾波器,高壓無源濾波器有多種接線方式,其中單調(diào)諧濾波器及二階高通濾波器使用最為廣泛,無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資較少、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。1.1設(shè)計(jì)一、用壓控電壓源設(shè)計(jì)二階高通濾波電路與LPF有對(duì)偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡(jiǎn)單二階HPF、壓控電壓源二階HPF電路采用壓控電壓源二階高

5、通濾波電路。電路如圖2-1所示，參數(shù)計(jì)算為: 通帶增益： Aup表示二階高通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù) 截止頻率： 品質(zhì)因數(shù)：Av=1+R2/R1 1.2設(shè)計(jì)二、用無限增益多路反饋設(shè)計(jì)高通濾波電路其中： ,通帶增益： 截止頻率： 品質(zhì)因數(shù)： ， 第二章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1方案一：壓控電壓源二階高通濾波電路 Av=1+R2/R1=2 ， =200 令R1=10k ，則R2=10k 又fc=200hz， 得出： C2=C3=0.47uf ； 另取R=R4/R5=R3/R6=2/10=1.69K2.2方案二、用無限增益多路反饋設(shè)計(jì)高通濾波電路 ， 設(shè)C1=0.22uf， 則C2=0.47uf

6、 又f=200hz 得出 ： R1=3K,R2=20.0K 至此得出了兩種方案的參數(shù),連接電路好即可.第三章 總原理圖及元器件清單3.1 總原理圖3.2 元件清單直流源元件序號(hào)（名稱）型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注變壓器輸入220V、輸出15V，P=20W1個(gè)帶插頭D1D4 （二極管）1N4007各1個(gè)保險(xiǎn)管Ip=0.5A1個(gè)電解電容C1、23300uf/25V2個(gè)電解電容C5、6 220uf2個(gè)瓷介電容C3、4、7、80、22uf4個(gè)集成塊UA7411個(gè)集成穩(wěn)壓器W7812、W7912輸出電壓12V，輸出電流1.5A各1個(gè)發(fā)光二極管2個(gè)瓷介電容C9、100、1uf 2個(gè)電阻R120K歐姆2個(gè)電阻R21

7、K歐姆2個(gè)可調(diào)電位器Rw20K2個(gè)方案一元件序號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注（單價(jià)）R10k40.1R2K20.1Ua74111C0.47uf20.3方案二元件序號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注（單價(jià)）R20k10.1R3K10.1Ua74111C0.22uf20.3C0.47uf10.3第四章 安裝與調(diào)試4.1 焊接 工具：電烙鐵在已做好的電路板上涂一層助焊劑，對(duì)照原理圖將元件安裝在電路板上，檢查元件位置是否正確。檢查無誤后，用電烙鐵將每個(gè)元件用焊錫焊牢，保證每個(gè)元件不虛焊。在焊元件時(shí)根據(jù)不同元件耐熱性能盡量減少焊接時(shí)間。焊接完畢后用萬用表檢查是否斷路和短路。4.2 調(diào)試工具：萬用表、示波器，信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字毫伏表用

8、小螺絲刀調(diào)節(jié)電位器R3的電阻為15K歐姆，R4的電阻為15K歐姆，接入220伏特的交流電壓，信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)為f=1KHz,Ui=500.3mv的信號(hào)，在輸出端測(cè)得輸出電壓Uo=201、6mv，減小頻率使得f=100 Hz，則輸出端Uo =161 、2mv，與實(shí)際相差太大，則用螺絲刀微調(diào)節(jié)電位器，此時(shí)使得Uo=141、2mv，在高頻時(shí)輸出電壓為輸入電壓的兩倍，用示波器監(jiān)測(cè)輸出波形沒有失真，故電路正確，調(diào)試完畢，可以進(jìn)行性能測(cè)試。二階高通濾波器在頻率響應(yīng)特性與低通濾波器相似，當(dāng)Q>0.707或Q<0.707時(shí)，通帶邊沿處會(huì)出現(xiàn)不平坦現(xiàn)象。有關(guān)根據(jù)品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算電路電阻參數(shù)R1 和

9、R2的方法與二階低通濾波器的計(jì)算相同。為了改進(jìn)一階高通濾波器的頻率特性，可采用二階高通濾波器。一個(gè)二階高通濾波器包含兩個(gè)RC支路，即將二階高通濾波器的R與對(duì)換位置，即可構(gòu)成二階高通濾波器。如圖5-1所示為二階高通濾波器的幅頻特性曲線，其阻帶衰減特性的斜率為40dB10oct，克服了一階高通濾波器阻帶衰減太慢的缺點(diǎn). 圖5-1二階高通濾波器的幅頻特性曲線 與二階低通濾波器類似，二階高通濾波器的各個(gè)參數(shù)也影響其濾波特性，如：阻尼系數(shù)f的大小決定了幅頻特性有無峰值，或諧振峰的高低。若要求高通濾波器的阻帶特性下降速率大于40dB10oct，必須采用高階高通濾波器，同高階低通濾波器一樣，也是最常采用巴特

10、沃思型和切比雪夫型近似，同樣也是先查表，得到分母多項(xiàng)式，圖5-1階高通濾波器幅頻特性 。 二階高通濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)，由增益Av=2，Av=1+Rf/R1,所以選R3=15K歐姆的電阻，fc=200Hz,fc=1/2RC，則選用C=0.01uf的電容，R4為15K歐姆的電阻，R2為4K歐姆的電阻，由于沒有該種類的電阻，則用兩個(gè)2K歐姆的電阻替代，集成塊用KIA741。二階高通濾波器電路的電路仿真。設(shè)計(jì)一：壓控電壓源二階高通濾波電路設(shè)計(jì)二、用無限增益多路反饋設(shè)計(jì)高通濾波電路第五章 性能測(cè)試與分析5.1 輸出電壓的測(cè)量輸入信號(hào)Ui=500 mv，改變頻率測(cè)輸出電壓，并且在通頻帶時(shí)的頻率要取得密集一些

11、，記錄到表格二階高通濾波器的數(shù)據(jù)頻率f/Hz10003900.5811.6718.9573輸出電壓Uo/mv998982979975691頻率f/Hz424264210199.5185輸出電壓Uo/mv930823730706671壓控電壓源二階高通濾波器的數(shù)據(jù)壓控電壓源二階高通濾波器電路的幅頻特性頻率f/Hz1000.4876.2754.8626.6461.69輸出電壓Uo/mv847846843837820頻率f/Hz278.34211.85206.88199.8161.6輸出電壓Uo/mv765711706703639無限增益多路反饋二階高通濾波器數(shù)據(jù)5.2 數(shù)據(jù)處理與誤差計(jì)算<1

12、>壓控電壓源在頻率為高頻時(shí)， U=（1000.3+1000.4+1000.5）/3=1000.4 mv輸入電壓Ui=500mv， 則Av=U/Ui=1000.4/500=2、01相對(duì)誤差：s=（2、01-2）/2*100%=0、5%當(dāng)fp=200Hz時(shí)， Uo理論=U*0、707=1000*0、707=707mv 實(shí)驗(yàn)測(cè)得Uo=706mv 則相對(duì)誤差為S=（706-707）/706*100%=1.4%<2>無限增益多路反饋在頻率為高頻時(shí)， U=（1000.3+1000.4+1000.5）/3=1000.4 mv輸入電壓Ui=500mv， 則Av=U/Ui=1000.4/500

13、=2、01相對(duì)誤差：s=（2、01-2）/2*100%=0、5%當(dāng)fp=200Hz時(shí)， Uo理論=U*0、707=1000*0、707=707mv 實(shí)驗(yàn)測(cè)得Uo=703mv 則相對(duì)誤差為S=（703-707）/703*100%=6%5.3 誤差分析產(chǎn)生該實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因有1、 輸入信號(hào)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。2、由橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)電路提供所需的正負(fù)直流電不是很準(zhǔn)，沒有標(biāo)準(zhǔn)的正負(fù)12伏特，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。3、在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)引入誤差。4、在計(jì)算過程中會(huì)引入計(jì)算誤差。第6章 結(jié)論與心得 1、由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)頻率f為通帶截止頻率fp時(shí)，輸出電壓 Uo約為最大輸出電壓的0、707倍，即Au0.707AuP。2、由實(shí)驗(yàn)可知，高通濾波器削弱低頻信號(hào)，只放大頻率高于 fp的信號(hào)，我們可把高通濾波器用于交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分。3、實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)的波形沒有失真，說明只要正反饋引入得到