二階有源高通濾波器

1、 2013級模擬電子技術(shù)課程設計說明書 二階有源高通濾波器 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 方拓 指導教師： 張松華 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1301班 完成時間： 2015年6月20日 模擬電子技術(shù)課程設計任務書學院：電氣與信息工程學院 適應專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息工程 指導教師張松華學生姓名方拓課題名稱二階有源高通濾波器內(nèi)容及任務一、設計任務設計一種二階RC有源高通濾波器電路,截止頻率100HZ，通帶內(nèi)增益23倍。二、設計內(nèi)容1、電路設計方案比較；2、電路參數(shù)分析計算和選擇； 3、單元電路設計并進行分析

2、；4、實物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設計報告。擬達到的要求或技術(shù)指標1、 基本要求與指標1、電路截止頻率100HZ；2、通帶內(nèi)增益23倍； 二、擴展要求與指標1、幅頻特性、相頻特性曲線盡可能接近理想化；2、能采用另一種方案設計RC有源高通濾波器。進度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.156.19下達任務書；針對課題任務書，收集資料。2015.6.206.21針對課題任務，進行電路設計與仿真。2015.6.226.23進行電路制作與調(diào)試。2015.6.246.25進行說明書書寫。2015.6.26實物答辯與說明書收集。主要參考資料1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分（第五

3、版）.北京：高等教育出版社，2006.325-3352曹才開等.電路與電子技術(shù)實驗.長沙：中南大學出版社，2010.142-153謝自美.電子線路設計(第三版).武漢：華中科技大學出版社，2000.123-1274王淵峰.Altium Designer 10電路設計標準教程.北京：科學出版社2012.45-52指導教師意見簽名：年 月 日教研室意見簽名：年 月 日模擬電子技術(shù)課程設計任務書學院：電氣與信息工程學院 適應專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息工程 指導教師張松華學生姓名方拓課題名稱直流穩(wěn)壓電源內(nèi)容及任務一、設計任務設計一個直流穩(wěn)壓電源，當輸入為有效值220V的交流電

4、壓時，能產(chǎn)生±12V、±9V 、±5V三組直流電壓輸出。二、設計內(nèi)容1、電路設計方案比較；2、電路參數(shù)分析計算和選擇； 3、單元電路設計并進行分析；4、實物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設計報告。擬達到的要求或技術(shù)指標2、 設計要求及技術(shù)指標1、要求輸入電壓為有效值220V、50HZ的市電交流電壓，電源輸出電壓為±12V、±9V 、±5V。2、最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓VOP-P5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。二、擴展要求與指標1、能顯示電源輸出電壓值，00.0-12.0V； 2、要求有

5、短路過載保護。進度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.156.19下達任務書；針對課題任務書，收集資料。2015.6.206.21針對課題任務，進行電路設計與仿真。2015.6.226.23進行電路制作與調(diào)試。2015.6.246.25進行說明書書寫。2015.6.26實物答辯與說明書收集。主要參考資料1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.325-3352曹才開等.電路與電子技術(shù)實驗.長沙：中南大學出版社，2010.142-153謝自美.電子線路設計(第三版).武漢：華中科技大學出版社，2000.123-1274王淵峰.Altium Designer 10電

6、路設計標準教程.北京：科學出版社2012.45-52指導教師意見簽名：年 月 日教研室意見簽名：年 月 日摘 要濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時抑制無用成分的電路，濾波電路種類很多，由集成運算放大器、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載能力。由于受到集成運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，從濾波器的階數(shù)可分為一階和高階，階數(shù)越高，幅頻特性越陡峭。本設計為有源二階高通濾波器。本設計采用一般意義上的設計方案，即通過無源二階高通濾波電路接入運放組成的放大電路，組成二階有源RC高通濾波器，先

7、根據(jù)設計方案計算出所需各元件參數(shù)，通過Multisim 10仿真得到具體的電路圖，在由制圖軟件（Altium Designer summer 09）得到原理圖，由原理圖導入到PCB圖中，得到我們所用的電路板。其中包括了電子元件的新建和封裝、打印、轉(zhuǎn)印等步驟。最后，焊接時應注意線是否導通、是否短路和有無虛焊等。最終完成安裝，進行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明電路僅能夠?qū)崿F(xiàn)信號的高通濾波。關(guān)鍵詞 ：二階；有源；高通；濾波器 目錄1緒論71.1設計課題意義及背景71.2設計課題任務及要求71.3設計內(nèi)容72設計原理及方案比較12.1設計原理12.2方案比較12.3設計方案32.4直流電壓源的設計32.4.1設計

8、要求32.4.2直流穩(wěn)壓電源工作原理33設計課題的參數(shù)選擇53.1有源二階高通濾波器53.1.1無源二階RC高通濾波電路部分53.1.2運放部分53.2.1電源變壓器63.2.2整流橋63.2.3濾波部分64仿真分析84.1仿真電路圖84.2仿真數(shù)據(jù)及分析85制作與調(diào)試115.1安裝與調(diào)試115.2調(diào)試115.3調(diào)試結(jié)果115.3.1直流電源調(diào)試結(jié)果115.3.2二階有源高通濾波電路調(diào)試結(jié)果115.4 數(shù)據(jù)分析125.5 故障排查12心得體會13參考文獻14致 謝15附錄16附錄A 電路原理圖16附錄B 電路PCB圖17附錄C 電路實物圖18附錄C 元件清單191緒論1.1設計課題意義及背景電

9、子技術(shù)是當今科技發(fā)展的熱點，各先進國家無不把它放在優(yōu)先發(fā)展的地位。電子技術(shù)是電氣類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，課程的顯著特點之一是它的實踐性。想要很好的掌握電子技術(shù)，除了掌握基本理論之外還要將其運用到實踐中去，課程設計就是電子技術(shù)教學中的重要環(huán)節(jié)。濾波器是信號處理的重要單元,在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到了廣泛的應用。按處理信號的不同,濾波器可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器,模擬濾波器按構(gòu)成元件的不同又可分為有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器是指網(wǎng)絡由電阻、電容及有源器件(三極管、運算放大器等,通常是運算放大器) 構(gòu)成。因為不用電感元件,所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點

10、。有源濾波器有許多獨特的優(yōu)點,如設計標準化、模塊化、易于制造等。由于運算放大器的增益和輸入電阻高、輸出電阻低,所以能提供一定的信號增益和緩沖作用，并可用簡單的級聯(lián)得到高階濾波器,且調(diào)諧也很方便。有源濾波電路的用途很廣,主要用于小信號處理,可作為抑制干擾、噪聲、衰減無用頻率信號而突出有用頻率信號達到提高噪聲比或選頻的目的。在實際應用中,綜合考慮電路濾波特性和信號增益,一般選用有源濾波器,因此,研究其設計有很大的實際意義。1.2設計課題任務及要求設計一種二階RC有源高通濾波器電路，電路截止頻率100HZ，通帶內(nèi)增益23倍，幅頻特性、相頻特性曲線盡可能接近理想化。1.3設計內(nèi)容（1）電路設計方案比較

11、；（2）電路參數(shù)分析計算和選擇； （3）單元電路設計并進行分析；（4）實物制作；（5）系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；（6）撰寫設計報告。1212設計原理及方案比較2.1設計原理二階高通濾波器的特點是，只允許高于截止頻率的信號通過。圖1 二階有源濾波器設計原理2.2方案比較（1）壓控電壓源二階高通濾波器圖2所示，電路中既引入了負反饋，又引入了正反饋。當信號頻率趨于零時，反饋很弱；當信號頻率趨于無窮大時，由于的電抗很大，因而Up（s）趨于零。所以，只要正反饋引入得當，就既可能在時使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會因負反饋過強而產(chǎn)生自激振蕩。同相輸入端電位控制由集成運放和R1、R2組成的

12、電壓源，故稱為壓控電壓濾波電路。同時該電路具有減少、增益穩(wěn)定、頻率范圍寬等優(yōu)點。電路中C、R構(gòu)成反饋網(wǎng)絡。壓控電壓源二階高通濾波器電路如圖2所示，其傳輸函數(shù)為公式(1)所示。圖2 壓控電壓源二階高通濾波器傳輸函數(shù): （1）通帶增益: （2）截止頻率： （3）品質(zhì)因數(shù)： （4）（2）無限增益多路負反饋二階高通濾波器無限增益多路負反饋二階高通濾波器電路圖如圖3所示。圖3 無限增益多路負反饋二階高通濾波器該電路的傳輸函數(shù)為： (5)通帶增益： (6)截止頻率： (7)品質(zhì)因數(shù)：Q= (8)通過上述比較上述兩種方案，壓控電壓源二階高通濾波器具有元件參數(shù)易于確定，電路易于實現(xiàn)的優(yōu)點，因此本設計選用壓控電

13、壓源二階高通濾波器。2.3設計方案圖4是一個二階高通濾波器。圖中虛線部分是一個無源二階高通濾波器電路，為了提高它的濾波性能和帶負載的能力，將該無源網(wǎng)絡接入由運放組成的放大電路，組成二階有源RC高通濾波器。圖4 二階高通濾波器其傳遞函數(shù)為（9）所示: (9)2.4直流電壓源的設計2.4.1設計要求設計一個直流穩(wěn)壓電源，當輸入為有效值220V的交流電壓時，能產(chǎn)生±12V、±9V 、±5V三組直流電壓輸出。2.4.2直流穩(wěn)壓電源工作原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成，如圖5所示。圖5 直

14、流穩(wěn)壓電源工作原理.其中：（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 （2）整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。3設計課題的參數(shù)選擇3.1有源二階高通濾波器3.1.1無源二階RC高通濾波電路部分無源二階RC高通濾波電路部分如圖6虛線部分所示。圖6 有源二階濾波電路因為設計要求濾波器截止頻率

15、=100Hz，由截止頻率公式：可知。電容C宜在微法數(shù)量級左右，這里選擇C=1F，所以R=1.59k，實際電阻選擇1.6k的電位器。3.1.2運放部分運放部分如圖7所示, 其通道增益 因為要求通帶內(nèi)增益23倍，這里選擇增益為=2.5，取R1=2k Rf=3k，滿足。圖7 運放部分運放選擇741通用運放其管角圖如圖8所示，1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源，8空腳。圖8 741運放管腳圖3.2直流穩(wěn)壓電源3.2.1電源變壓器據(jù)三端固定式集成穩(wěn)壓器的特點，一般要求最小的輸入電壓、輸出電壓為,所以可取的輸出電壓為15V的變壓器。3.2.2整流橋穩(wěn)壓源設計

16、要求最大輸出電流為I0max=500mA，整流二極管的參數(shù)應滿足最大整流電流I1.5I0max=0.75A，最大反向電壓應大于變壓器副邊輸出電壓。3.2.3濾波部分濾波電容滿足： （10） 由式（10）可得濾波電容可等于式（11） （11）式中RL為C右邊的等效電阻，應取最小值，T為電流電源的周期。RL最小值可由公式（12）算出。（12）將T=20ms,Imax=500mA代入式（11），可得。將，T=20ms再代入（12）式，得出C=1515F?？梢?，C容量較大，應選電解電容，實際容量選4700F，其耐壓值為35V。3.2.4穩(wěn)壓部分穩(wěn)壓部分采用集成穩(wěn)壓器L7812、L7912、 L7809

17、、L7909、L7805、L7905，其最大輸入電壓35V，最大輸出電流1.5 A，最大耗散功率=20 W，參數(shù)都符合要求。4仿真分析4.1仿真電路圖電路圖仿真如圖9所示其中，。圖9 仿真電路圖4.2仿真數(shù)據(jù)及分析波特儀顯示結(jié)果如圖10所示，其通帶增益為7.79dB，與設計的Avf=2.5（7.960）非常接近。圖10 波特儀顯示結(jié)果截止頻率如圖11所示，由圖10與圖11可見經(jīng)仿真分析可得在衰減-3dB時得出的下限截止頻率為102.315Hz，與當初設計的100Hz十分接近。圖11 波特儀所示截止頻率當輸入信號為50Hz 5v時示波器顯示如圖12所示，其幅值下降，其增益,說明電路有濾波作用。圖

18、12 當輸入信號為50Hz 5v時示波器顯示當輸入信號為200Hz 5v時示波器顯示如圖13所示，其幅度增益約=2.5，說明信號能通過電路，符合設計要求。圖13 當輸入信號為200hz 5V時示波器顯示5制作與調(diào)試5.1安裝與調(diào)試根據(jù)電路圖使用Altium Designer summer 09軟件畫出PCB圖，打印到電路板上并腐蝕打孔。對電路進行組裝：按照自己設計的電路，在在PCB板上焊接。焊接完畢后，應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過反復的調(diào)整和測量，使電路的性能達到要求。安裝前應檢查元器件的質(zhì)量，安

19、裝是特別要注意電解電容、集成芯片等主要器件的引腳和極性，不能接錯,從輸入級開始向后級安裝。 5.2調(diào)試濾波器電路連接好后，調(diào)試需要函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表各一個，一個能產(chǎn)生+12V，-12V的直流穩(wěn)壓并聯(lián)接地電源，我們需要函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生022KHz，幅值為500mv的信號。輸入Ui接函數(shù)發(fā)生器，輸出U0接示波器，直流穩(wěn)壓電源的+12V接OP07的7引腳，-12V接4引腳。注意：在打開電源之前，應現(xiàn)用萬用表檢測引線及各個電阻，確保沒有短路和斷路，且不能帶電操作。5.3調(diào)試結(jié)果5.3.1直流電源調(diào)試結(jié)果 使用萬用表直流電壓20v檔位測量直流電源的各個端口，經(jīng)測量其各個端口的電壓為12.06v、-

20、12.03v、8.97v、-8.93v、4.96v、-4.98v。5.3.2二階有源高通濾波電路調(diào)試結(jié)果輸入電壓為調(diào)節(jié)信號頻率從0Hz到4000Hz中取10組不同頻率的信號，調(diào)試結(jié)果如表一所示。表1 二階有源高通濾波電路實驗值輸入信號頻率（f/Hz）輸入信號幅值（Ui/mV）輸出信號幅值（Ui/mV）2050012.43050020.35050031.710050056.320050070.740050011410005001802000500207300050021540005002205.4 數(shù)據(jù)分析由表1數(shù)據(jù)可知，隨著輸入信號頻率的升高，輸出幅值逐漸增大，說明其無源濾波網(wǎng)絡部分正常工作，但是增益小于1，說明放大電路存在問題。5.5 故障排查用萬用表檢測運放的7腳電壓只有9.58V，沒有達到要求的12V，說明運放沒有正常工作，所以輸出信號的增益會出現(xiàn)問題。心得體會經(jīng)過幾個星期的工作，我們的二階有源濾波網(wǎng)落并沒有正常運行。但在使用Multisim10.0進行仿真得到了要求的結(jié)果，表明理論知識沒有問題而實際操作有一定的偏差。在以后的課程設計中要加強實際操作能力，本次課程設計讓我們了解了濾波器的工作原理以及分類，也讓我們熟悉了函數(shù)發(fā)生器與示波器，接觸并學會用 Multisim10.0進