光電子線路課程設(shè)計(jì)模擬濾波器設(shè)計(jì)

1、光電子線路課程設(shè)計(jì) 模擬濾波器設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)：姓名： 指導(dǎo)： 時(shí)間：2011年9月5日目錄1. 引言 032. 正文 032.1. 設(shè)計(jì)要求 032.2. 設(shè)計(jì)過(guò)程 042.2.1. 手工計(jì)算設(shè)計(jì) 042.2.2. 計(jì)算機(jī)仿真 052.2.3. 實(shí)際連接與調(diào)試 062.2.4. 帶通濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程 072.3. 設(shè)計(jì)結(jié)果分析與反思 113. 結(jié)論 114. 致謝 115. 參考資料 11光電子線路課程設(shè)計(jì) 模擬濾波器設(shè)計(jì)（南京理工大學(xué)）摘要：本文詳細(xì)介紹了一種二階有源模擬濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程和調(diào)試方法。給定設(shè)計(jì)參數(shù)，依照所給的電阻電容數(shù)值，合理選取電路元件和濾波器結(jié)構(gòu)，以滿足設(shè)計(jì)要求。其設(shè)計(jì)過(guò)程分為三個(gè)

2、部分，首先進(jìn)行手工計(jì)算選取合適的元件值，初步滿足設(shè)計(jì)要求；然后在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上利用Multisim軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，獲得設(shè)計(jì)電路的頻響特性，并與手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，觀察差異并分析原因；最后實(shí)際搭建電路，測(cè)量電路的頻響特性并適當(dāng)調(diào)整元件參數(shù)值，以滿足設(shè)計(jì)要求，并與計(jì)算和仿真結(jié)果相比較，觀察差異并分析原因。關(guān)鍵詞：模擬濾波； 二階有源； 頻響特性；低通帶通；仿真 1、 引言光電信號(hào)大多是微弱的電信號(hào)，而噪聲信號(hào)一般都較大。同時(shí)，在信號(hào)的處理、放大、傳輸及光電探測(cè)器本身等各個(gè)環(huán)節(jié)中，也很容易引進(jìn)干擾信號(hào)。在嚴(yán)重情況下，這些干擾信號(hào)會(huì)淹沒(méi)有用信號(hào)，以致無(wú)法測(cè)量。在這種情況下，除了采取有效的抗干擾措施之

3、外，采用信號(hào)濾波技術(shù)是提高信噪比（S/N）行之有效的方法。2、 正文2.1 設(shè)計(jì)要求利用以下所提供的元器件，設(shè)計(jì)一個(gè)二階有源模擬濾波器。對(duì)于低通濾波器，要求其上限截止頻率f為1kHz，且增益盡量為2倍。若是高通濾波器，則其下限截止頻率f為500Hz。對(duì)于帶通濾波器，要求中心頻率f為1kHz，帶寬f50Hz，盡可能使上升沿下降沿對(duì)稱，增益盡量為為2倍。電阻：47 56 75 300 330 430 470 510 （） 1 1.5 3 4.7 5.1 7.5 10 11 15 20 33 43 47 51 68 180 300 470 （k）電容：0.001 0.01 0.1 1 0.0022

4、0.022 0.22 0.015 0.033 0.33 0.047 0.47 4.7 10 22 47 33 100 220 (F)5100 6800 (pF)741集成運(yùn)算放大器一片、面包板一塊、導(dǎo)線若干儀器儀表：數(shù)字萬(wàn)用表一塊、示波器一臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)、穩(wěn)壓電源一臺(tái)2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程2.2.1 手工計(jì)算設(shè)計(jì)對(duì)于低通濾波，可利用運(yùn)放組成有限增益可控的有源二階低通濾波器。其電路結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖 2.1 有限增益二階低通濾波器電路圖為計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，利用節(jié)點(diǎn)電流法，有： （公式2.1）可得其傳遞函數(shù)為 （公式 2.2）對(duì)比兩式可得 （公式 2.3）當(dāng)時(shí)，取R=3

5、30，C=0.47F，可滿足要求，其實(shí)際截止頻率f=1026.1Hz，取R3=R4=10k，則增益H0為2倍。2.2.2 計(jì)算機(jī)仿真將2.2.1中得到的元件數(shù)值和電路在Multisim中進(jìn)行仿真。其電路圖如圖2.2。圖2.2 各元件參數(shù)及仿真電路對(duì)電路進(jìn)行交流分析（AC Analysis），獲得其頻響特性曲線如下：圖2.3 仿真低通頻響曲線由圖2.3可知最大輸出電壓為10V，已知輸入電壓設(shè)為5V，所以增益滿足H=2倍。同時(shí)，在101.414處，對(duì)應(yīng)的頻率f=1.27kHz，還是存在較大偏離。從曲線可以觀察到從200到1kHz之間，輸出幅值有一個(gè)上升的小坡，其影響到實(shí)際的輸出值。若取輸出最大幅值

6、而非100Hz處幅值，則截止頻率將會(huì)更接近1kHz。另外還可觀察到，當(dāng)頻率超過(guò)10kHz之后，濾波器阻帶抑制特性將會(huì)變差。2.2.3 實(shí)際連接與調(diào)試將上文所設(shè)計(jì)的電路在面包板上連接好，檢查無(wú)誤后接通電源，集成運(yùn)放采用±12V供電。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，觀察示波器的波形并記錄輸出電壓。當(dāng)R1=R2=330時(shí)，取100Hz時(shí)電壓為峰值電壓，得截止頻率為1300Hz，確實(shí)偏離過(guò)大，但與仿真吻合的較好。根據(jù)公式2.3可知，可以適當(dāng)增大R1和R2的值，來(lái)減小截止頻率的值。當(dāng)R=（330+27）時(shí)，截止頻率為1150Hz，當(dāng)R=（330+56+27）時(shí)，截止頻率為1042Hz，誤差為4%，滿

7、足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)R=413，輸入信號(hào)電壓為3V時(shí)，改變輸入信號(hào)頻率，記錄輸出電壓如下：表2.1 低通頻響輸出電壓測(cè)量序號(hào)12345678910信號(hào)頻率（Hz）204080100150250350500700800輸出電壓（V）5.645.886.106.116.206.206.406.926.926.36測(cè)量序號(hào)11121314151617181920信號(hào)頻率（Hz）850870900925950980990100010421100輸出電壓（V）5.925.805.605.285.084.844.764.724.323.92測(cè)量序號(hào)21222324252627282930信號(hào)頻率（kHz）1.3

8、1.522.53.56102050100輸出電壓（V）2.842.121.200.6440.3200.1160.0440.0220.0460.092根據(jù)記錄的頻響輸出電壓數(shù)據(jù)，作出其頻響曲線如下：圖2.4 實(shí)測(cè)低通頻響曲線觀察曲線可知其輸出滿足低通特性，且當(dāng)f=100Hz時(shí)，Vpp=6.20V，增益為2倍左右，當(dāng)Vo=4.32V時(shí)，f=1042Hz，即為截止頻率。同時(shí)還可以觀察到在通帶部分有一個(gè)小的起伏，并不是很平坦，這也是需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，可以通過(guò)增大系統(tǒng)的阻尼系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，在超過(guò)20kHz之后，可以通過(guò)數(shù)據(jù)表格看出其阻帶抑制能力下降，輸出波形幅度上升。2.2.4 帶通濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程

9、圖2.5 帶通濾波器電路圖帶通濾波器采用圖2.5所示連接方式。由其節(jié)點(diǎn)電壓方程可求得其傳遞函數(shù)為： （公式 2.4）為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取C1=C2=C，R1>>R2，上式經(jīng)化簡(jiǎn)成為標(biāo)準(zhǔn)形式： （公式 2.5）其中 （公式 2.6）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，f=1000Hz，BW=f=50Hz，且增益H0=2倍，代入公式2.6進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)所給的元件值，最終可選：C=0.1F R1=7.5k R2=75 R3=（10+10+10）k根據(jù)以上參數(shù)得到仿真電路如下：圖2.6 帶通仿真電路在Multisim11.0中選取相應(yīng)參數(shù)元件，連接好電路，采用交流分析（AC Analysis），獲得帶通電路的頻響曲

10、線如下圖。圖2.7 仿真帶通頻響特性曲線由仿真結(jié)果可知，當(dāng)f=1000Hz時(shí)，濾波器輸出最大值Vo=6.775V，以0.707Vo作為截止頻率電壓值，可得上下限截止頻率分別為f1=942.5Hz，f2=1090Hz，基本在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。在面包板上搭建以上參數(shù)的電路，步驟同低通濾波器設(shè)計(jì)。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，在示波器上觀測(cè)輸出信號(hào)的波形和幅度，并記錄成表。表2.2 帶通頻響輸出電壓測(cè)量序號(hào)12345678910信號(hào)頻率（Hz）200300400500600700750800850900輸出電壓（V）0.1280.1820.2680.3600.5000.7080.9201.281.602.2

11、8測(cè)量序號(hào)11121314151617181920信號(hào)頻率（Hz）910925940950970980990100010201050輸出電壓（V）2.362.483.043.083.363.403.443.323.202.72測(cè)量序號(hào)21222324252627282930信號(hào)頻率（Hz）1080110012001400150020005000輸出電壓（V）2.502.241.360.8000.6880.4000.124依據(jù)以上數(shù)據(jù)表格，描點(diǎn)作出實(shí)際頻響曲線如下：圖2.8 帶通實(shí)測(cè)頻響曲線從數(shù)據(jù)記錄表格可以看出，當(dāng)取f=990Hz，對(duì)應(yīng)最大電壓為Vo=3.44V，以0.707Vo作為截止電壓，

12、可查得上下截止頻率分別為f1=925Hz，f2=1060Hz，除了范圍略大些之外，對(duì)稱性還是比較好，但增益只有1.15，主要就是由于是窄帶濾波器，其高通和低通衰減相互疊加，致使通帶部分衰減較大。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可知其基本滿足設(shè)計(jì)要求，但仍有不足之處?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整電路元件的參數(shù)來(lái)進(jìn)行修正。根據(jù)公式2.6，減小R2的阻值，將會(huì)使Q值增大，衰減加快，從而縮小濾波器的通帶帶寬BW。在減小R2阻值的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整R3的阻值，可以使中心頻率f接近1000Hz。此外，減小R1的阻值，可以使增益H增大，不斷調(diào)整并直至H為2倍即可。所以，在實(shí)際電路中按照以上原則，不斷進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，就可以達(dá)到所要求的設(shè)計(jì)參數(shù)

13、。不過(guò)，由于當(dāng)時(shí)的客觀條件限制，我沒(méi)有進(jìn)行這一步的操作，請(qǐng)老師見諒！2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析與反思Ø 觀察設(shè)計(jì)過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果會(huì)有一定的偏差，但是差別不算太大，主要是由于手工計(jì)算的一些近似以及仿真時(shí)采用實(shí)際元件模型引入誤差，導(dǎo)致略微的偏差；Ø 相對(duì)而言，實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果則與計(jì)算仿真結(jié)果相差較大。主要是由于元器件實(shí)際值與標(biāo)稱值的差異較大。當(dāng)時(shí)選用的1k電阻，用萬(wàn)用表測(cè)量，其實(shí)際值只有960。其次，電路連接方式、環(huán)境因素以及儀器儀表等都會(huì)造成誤差；Ø 觀察仿真頻響曲線和實(shí)測(cè)頻響曲線，都可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)f>10kHz時(shí)，其阻帶抑制能力下降，輸出幅度開始呈上升趨勢(shì)。這是由于采用了集成運(yùn)放等元件，其工作頻率范圍一般都要求小于1MHz，否則會(huì)造成電路特性變壞。因此，對(duì)于有源濾波器，其一般使用場(chǎng)合是中低頻段，至于高頻段，則一般使用無(wú)源濾波器；Ø 在實(shí)際搭建電路過(guò)程中，有一些問(wèn)題需要引起注意。對(duì)于集成運(yùn)放芯片，要分清引腳關(guān)系，順序不可弄反。其供電采用正負(fù)12V電壓，要注意穩(wěn)壓電源的連接方式。此外，信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓要調(diào)整合適（一般為3V），否則輸出波形在示波器上會(huì)發(fā)生失真；3、 結(jié)論通過(guò)本次光電子線路課程設(shè)計(jì)，即模擬濾波器設(shè)計(jì)，我掌握了濾波器設(shè)計(jì)的 基本原理和設(shè)計(jì)方法，通過(guò)理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)