模擬電子課程設(shè)計(jì)

1、長 沙 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)說明書題目有源低通濾波器電路設(shè)計(jì)系(部)電子與通信工程系專業(yè)(班級)XX一班姓名XXX學(xué)號(hào)XXXXXXXX指導(dǎo)教師XXX起止日期3 模擬電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一設(shè)計(jì)題目有源低通濾波器電路設(shè)計(jì)二技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求1. 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)能阻擋高頻信號(hào)，輸出低頻信號(hào)的有源低通濾波電路；2. 設(shè)計(jì)要求（1） 根據(jù)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)電原理圖;（2） 計(jì)算并選擇電路元件及參數(shù)(含電源變壓器)；（3） 仿真調(diào)試電路；舉例說明所設(shè)計(jì)的有源高通濾波器的廣泛應(yīng)用，簡要說明電路的工作原理。（4） 撰寫設(shè)計(jì)說明書。三設(shè)計(jì)工作量設(shè)計(jì)時(shí)間一周，2011年下學(xué)期進(jìn)行。四工作計(jì)劃星期一：布置設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱資料；星

2、期二星期三：設(shè)計(jì)方案論證，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，計(jì)算并選擇電路元件及參數(shù)；星期四：仿真調(diào)試電路星期五：撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書，進(jìn)行個(gè)別答辯。五參考資料1 彭介華，電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，北京：高等教育出版社，1997；2 高吉祥，電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社，2005；3 童詩白，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社，1988；4 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分，北京：高等教育出版社，20065 本課程教材六指導(dǎo)教師 XXXXXXXXXXXXXXXX七系部審批長沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表姓名 學(xué)號(hào)專業(yè)光電信息工程班級光電一班設(shè)計(jì)題目有源低通濾波器電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師意見：評定等級： 教師簽名：

3、 日期： 答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計(jì)成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類；目錄引言 .5一 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求51.1 設(shè)計(jì)任務(wù)5 1.2 設(shè)計(jì)要求6二 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過6 2.1 實(shí)驗(yàn)原理.6 2.2 實(shí)驗(yàn)步驟.7 濾波器的選擇.7 一階低通有源濾波器.8 二階低通有源濾波器.10 2.3工作原理及電路圖的原理圖和PCB圖.13三 低通濾波器在生活中的應(yīng)用.14 3.1在焊接中的應(yīng)用.14四 實(shí)驗(yàn)總結(jié).15參考文獻(xiàn).16引言對信號(hào)進(jìn)行分析與處理時(shí), 常常會(huì)遇到有用信號(hào)疊加上無用噪聲的問題,

4、 這些噪聲有的是與信號(hào)同 時(shí)產(chǎn)生的, 有的是傳輸過程中混入的。因此, 從接收的信號(hào)中消除或減弱干擾噪聲, 就成為信號(hào)傳輸與處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號(hào)與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號(hào)的過程稱為濾波, 實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利地通過，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)選頻電路，所以濾波器也稱為選頻裝置。工程上常用它來作為信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送 和抑制干擾等，廣大應(yīng)用于通信、電子工程、儀器儀表等領(lǐng)域。濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種： 無源濾波器: 有源濾波器:  一般由集成運(yùn)放與RC網(wǎng)

5、絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號(hào)，衰減無用頻率的信號(hào)，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。從功能來上有源濾波器分為：   低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、   帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、   全通濾波器（APF）。對于有源濾波器，通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗。而且還餓可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時(shí)互

6、相影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小，重量輕、不需要磁屏蔽（由于使用電感元件）；但是其通帶范圍受有源器件（如集成運(yùn)放放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適合。一般還可以按照有源濾波器傳輸函數(shù)分母中S的最高指數(shù)分為一階、二階和高階濾波器，濾波器的階數(shù)是指在濾波器的傳遞函數(shù)中有幾個(gè)極點(diǎn)，階數(shù)同時(shí)也決定轉(zhuǎn)折區(qū)的下降速度，一般每增加一階（一點(diǎn)極點(diǎn)），就會(huì)增加20dB每十倍頻程。低通濾波器是一個(gè)通過低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。有源濾

7、波器是指由放大電路及RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路，它實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。根據(jù)指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)選用二階有源低通濾波器。課程設(shè)計(jì)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生進(jìn)行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。本次課程設(shè)計(jì)主要注重的是電子電路的設(shè)計(jì)、仿真、安裝、調(diào)試、印制電路板等綜合于一體的一門課程，意在培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想方法以及思路，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析和解決工程技術(shù)問題的能力。作為一名大學(xué)生不僅需要扎實(shí)的理論知識(shí)

8、，還需要過硬的動(dòng)手能力，所以認(rèn)真做好課程設(shè)計(jì)，對提高我們的動(dòng)手能力有很大的幫助做到。一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)1. 學(xué)習(xí)有源低通濾波器的設(shè)計(jì)方法；2. 由濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)；3. 設(shè)計(jì)二階RC有源低通濾波器；4. 掌握有源低通濾波器的測試方法；5. 測量有源低通濾波器的幅頻特性。1.2 設(shè)計(jì)要求1. 根據(jù)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)電原理圖;2. 計(jì)算并選擇電路元件及參數(shù)；3. 仿真調(diào)試電路；舉例說明所設(shè)計(jì)的有源低通濾波器的廣泛應(yīng)用，簡要說明電路的工作原理；4. 撰寫設(shè)計(jì)說明書。二、 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過2.1 實(shí)驗(yàn)原理低通濾波器(low-passfilter)是容許低于截至頻率的信號(hào)通過， 但高

9、于截止頻率的信號(hào)不能通過的電子濾波裝置。 對于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。 低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acoustic barriers）、圖像模糊處理等等，這兩個(gè)工具都通過剔除短期波動(dòng)、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號(hào)的平滑形式。 低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)（moving average)所起的作用； 低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。濾波器的主要功能就是

10、允許某一部分頻率的信號(hào)順利地通過，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路，所以濾波器也稱為選頻裝置，工程上常用它用來作信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送及抑制干擾等，廣泛應(yīng)用于通信、電子工程、儀器儀表等領(lǐng)域。在濾波器中，通常把能夠通過的頻率范圍，或者信號(hào)幅度不衰減或只有允許程度衰減的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減，或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶之間的分界頻率為截止頻率。理想的濾波器電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相頻響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減。根據(jù)通帶和阻帶所處的頻率區(qū)域不同，一般將濾波器分成四類：（1）低通濾波器 就是低頻信號(hào)能通

11、過，而高頻信號(hào)不能通過的濾波器。它的通帶由零到某一特定的上限頻率，即0；阻帶由到無窮大。（2）高通濾波器 與低通濾波器相反，就是只允許高頻信號(hào)通過，而低頻信號(hào)通過的濾波器。通帶位于大于某一特定下限頻率的高頻區(qū)，即；阻帶位于零到的低頻區(qū)。（3）帶通濾波器 它的通帶位于兩個(gè)有限頻率、之間，即通帶為。通帶兩側(cè)都是阻帶。（4）帶阻濾波器 與帶阻情況相反，它的阻帶位于兩個(gè)有限頻率之間，即阻帶為。阻帶兩側(cè)都為通帶。通帶的衰減為零，阻帶的衰減為無窮大，從零衰減到無窮大衰減之間沒有過渡，這是理想濾波器的特性，這種特性是不可實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際濾波器的通帶，特別是靠近截止頻率的頻率頻域往往有一定的衰減；同樣，它的阻帶，

12、特別是靠近截止頻率處衰減也不是無窮大?；蛘哒f在零衰減和無窮大衰減之間總是存在著一個(gè)過渡帶。在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，應(yīng)使其頻率特性盡量接近理想特性。 此外，當(dāng)考慮濾波器的物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)所采用的元器件不同，將濾波器分為一下兩類。一類是由電阻、電容、電感組成，不含有源器件，稱為無源濾波器。無源濾波器電路比較簡單，高頻性能好，多用在高頻域。缺點(diǎn)是通帶信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，或?yàn)V波器性能雖負(fù)載變化較大，高階情況下調(diào)節(jié)比較困難。另外由于使用了電感，體積和重量比較大，在低頻更是如此，不能用在超低頻域。另一類是由電阻、電容和有源器件（如集成運(yùn)算放大器）組成，稱為有源濾波器。有源濾波器由于采用了有源放大

13、器，不僅可以補(bǔ)充無源網(wǎng)絡(luò)中的能量損耗，還可以根據(jù)要求提高信號(hào)的輸出功率。在使用運(yùn)算放大器作為有源器件的濾波器中，由于運(yùn)算放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，電路具有體積小、精度高、性能穩(wěn)定、易于調(diào)試等特點(diǎn)。另外，由于運(yùn)算放大器有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點(diǎn)，多級相聯(lián)時(shí)相互影響很小，可以用低階濾波器級聯(lián)的簡單方法構(gòu)成高階濾波器，且負(fù)載效應(yīng)不明顯。有源濾波器的限制主要是運(yùn)算放大器固有特性的限制，一般來說他不適用于高壓、高頻、大功率的場合，而比較適用于低頻和超低頻的應(yīng)用。2.2 實(shí)驗(yàn)步驟濾波器的選擇1. 關(guān)于濾波器類型的選擇一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多

14、環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(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. 級數(shù)選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。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。多級濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(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)，則取級數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。3. 運(yùn)放的要求在無特殊要求的情況下，可選用通

15、用型運(yùn)算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開環(huán)增應(yīng)在80dB 以上。對運(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

16、，因此有許多個(gè)元件均可滿足給定的要求，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初選電容值。表 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應(yīng)關(guān)系f(110)Hz（10102）Hz（102103）Hz（110）KHz（10103）KHz （102103）KHzC(2010)F（100.1）uF（0.10.01）uF（104103）pF（103102）pF（10210）pF一階低通有源濾波器圖為我設(shè)計(jì)的一階RC低通有源濾波器，當(dāng)運(yùn)算放大器的特性理想時(shí)，電路的傳遞函數(shù)為令濾波器的截止角頻率，通帶增益。用j代替式中的s得相應(yīng)的

17、頻率特性，式中稱為濾波器的截止頻率。由該式可得濾波器的幅頻特性和相頻特性。經(jīng)計(jì)算，該電路圖的=500赫，下圖是它的頻率特性圖下圖是她波形圖截圖 一階濾波器電路雖然簡單，但其濾波效果不好。由低通濾波器電路的幅頻特性可知，當(dāng)后，濾波器的輸出并不立即衰減為零，而是以20dB/十倍頻的速率下降。若要求幅頻特性曲線在高頻段以更大的衰減速度下降，就需要采用二階，三階或更高階的濾波器。一般情況下，高階濾波器也可以用低階濾波器級聯(lián)而成。 二階低通有源濾波器 二階RC低通有源低通濾波器電路圖由基爾霍夫定律可得其中特征角頻率，令可得由公式可知，當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，；電路具有低通濾波器特性，且與頻率的二次方有關(guān)，因此我所

18、設(shè)計(jì)的電路為二階低通濾波器。當(dāng)時(shí),即由該式可知,Q值就是當(dāng)時(shí)，濾波器電路電壓放大倍數(shù)的模與通帶增益的比值。濾波器特性不僅與頻率有關(guān)，還與電路的品質(zhì)特性有關(guān)。下面四圖是Q取不同值時(shí)，所得的仿真圖品質(zhì)因數(shù)=0.7407下圖是它的波形圖截圖當(dāng)時(shí)，濾波器的幅頻特性有峰值，且Q值越大，尖峰越高。當(dāng)時(shí)，電路將產(chǎn)生自激振蕩，這種幅頻特性有欺負(fù)的濾波器稱為切比雪夫型濾波器。這種濾波器雖然在通帶有起伏，但在過渡帶衰減速度較快。當(dāng)時(shí)，幅頻特性不出現(xiàn)峰值，但Q值越小，幅頻特性下降的越早。是一個(gè)臨界值，超過該值時(shí)出現(xiàn)峰值，小于該值時(shí)幅頻特性下降加劇。當(dāng)?shù)扔谠撝禃r(shí)所得的幅頻特性是最平坦的，既無峰值，在頻域下降量又最小。

19、一般將Q值等于對應(yīng)的濾波器稱為最大平坦濾波器，或巴特沃斯型濾波器。二階低通濾波器的幅頻特性在過渡帶內(nèi)以40dB/十倍頻的速率衰減，它的濾波效果比一階電路好得多。2.3工作原理及電路圖的原理圖和PCB圖濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時(shí)抑制無用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運(yùn)算放大器、電容和電阻可構(gòu)成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負(fù)載能力。由于受到集成運(yùn)算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號(hào)能通過而高頻信號(hào)不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一

20、段的信號(hào)能通過而該頻段之外的信號(hào)不能通過的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過。下圖為二階低通電路的原理圖及PCB圖二階低通電路的原理圖PCB圖三 低通濾波器在實(shí)際生活中的應(yīng)用3.1在焊接中的應(yīng)用CO2焊過程的控制為了對CO2焊短路過渡過程進(jìn)行控制,可以采用一般的硬件控制系統(tǒng),也可以用微機(jī)控制系統(tǒng),或者考慮到兩者的優(yōu)缺點(diǎn),兩者都采用,即當(dāng)所要求的控制速度要求比較高時(shí)采用硬件控制,控制速度要求較低時(shí)采用微機(jī)進(jìn)行控制。采用硬件控制提高了系統(tǒng)的控制速度,而采用微機(jī)控制系統(tǒng),可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性,能隨著實(shí)時(shí)焊

21、接條件的變化而變化,增加了系統(tǒng)的柔性和適應(yīng)性。CO2焊最大的缺點(diǎn)就是焊接飛濺大和焊縫成形差,直接影響焊接質(zhì)量。為了減少飛濺,防止金屬小橋的爆斷,縮頸檢測就起著重要的作用。一般來講,熔滴的過渡過程采用微機(jī)進(jìn)行控制,而縮頸檢測采用硬件檢測。在電磁力和表面張力作用下,短路小橋不斷頸縮,導(dǎo)電截面隨之縮小,使其電阻不斷升高,電阻隨時(shí)間的變化率dR/ dt 可通過單位時(shí)間內(nèi)的電壓變化率dV/dt 測量出來。當(dāng)短路小橋電壓的變化率達(dá)到或超過一定的閥值,檢測電路發(fā)出信號(hào),使電源輸出電流在數(shù)微秒內(nèi)降到較小值,這樣就避免了飛濺的產(chǎn)生。由于檢測電路對電壓的波動(dòng)非常敏感,短路電壓信號(hào)只要有微小的波動(dòng)(如脈動(dòng)波紋和尖峰不能很好的濾掉) ,就可以產(chǎn)生誤判斷,這是這種檢測電路失敗的主要原因,因此低通濾波器的好壞將直接影響著縮頸的檢測和焊接飛濺的控制。三 實(shí)驗(yàn)總結(jié)一周的課程設(shè)計(jì)在指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷下和同學(xué)的鼎力幫助下，總算是順利完成了。雖然不是很完美，但是讓我在整個(gè)課程設(shè)計(jì)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了自己的很都缺點(diǎn)，在這里，我要特別感謝的同學(xué)們，沒有你們的幫助，憑我一己之力恐怕還要費(fèi)些力氣！是你們?nèi)晃疑僮吡撕芏紡澛?，再次感謝！言歸正傳，通過此次的課設(shè)，我學(xué)到了很多知識(shí)，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學(xué)的體制束縛，在論文的寫作過程中，通過查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動(dòng)手能