二階有源高通濾波器

1、 2013級(jí)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 二階有源高通濾波器 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 方拓 指導(dǎo)教師： 張松華 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣本1301班 完成時(shí)間： 2015年6月20日 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 適應(yīng)專業(yè)：自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、通信工程、電子信息工程 指導(dǎo)教師張松華學(xué)生姓名方拓課題名稱二階有源高通濾波器內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)內(nèi)容1、電路設(shè)計(jì)方案比較；2、電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇； 3、單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析

2、；4、實(shí)物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測(cè)試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)1、 基本要求與指標(biāo)1、電路截止頻率100HZ；2、通帶內(nèi)增益23倍； 二、擴(kuò)展要求與指標(biāo)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(shè)計(jì)RC有源高通濾波器。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.156.19下達(dá)任務(wù)書；針對(duì)課題任務(wù)書，收集資料。2015.6.206.21針對(duì)課題任務(wù)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。2015.6.226.23進(jìn)行電路制作與調(diào)試。2015.6.246.25進(jìn)行說明書書寫。2015.6.26實(shí)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(shí)驗(yàn).長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.142-153謝自美.電子線路設(shè)計(jì)(第三版).武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.123-1274王淵峰.Altium Designer 10電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程.北京：科學(xué)出版社2012.45-52指導(dǎo)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(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 適應(yīng)專業(yè)：自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、通信工程、電子信息工程 指導(dǎo)教師張松華學(xué)生姓名方拓課題名稱直流穩(wěn)壓電源內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，當(dāng)輸入為有效值220V的交流電

4、壓時(shí)，能產(chǎn)生±12V、±9V 、±5V三組直流電壓輸出。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、電路設(shè)計(jì)方案比較；2、電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇； 3、單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析；4、實(shí)物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測(cè)試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)2、 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)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(kuò)展要求與指標(biāo)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(hù)。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.156.19下達(dá)任務(wù)書；針對(duì)課題任務(wù)書，收集資料。2015.6.206.21針對(duì)課題任務(wù)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。2015.6.226.23進(jìn)行電路制作與調(diào)試。2015.6.246.25進(jìn)行說明書書寫。2015.6.26實(shí)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(shí)驗(yàn).長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.142-153謝自美.電子線路設(shè)計(jì)(第三版).武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.123-1274王淵峰.Altium Designer 10電

6、路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程.北京：科學(xué)出版社2012.45-52指導(dǎo)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(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(chǎng)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(shè)計(jì)為有源二階高通濾波器。本設(shè)計(jì)采用一般意義上的設(shè)計(jì)方案，即通過無源二階高通濾波電路接入運(yùn)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(shè)計(jì)方案計(jì)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(dǎo)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(shí)應(yīng)注意線是否導(dǎo)通、是否短路和有無虛焊等。最終完成安裝，進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明電路僅能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)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(shè)計(jì)課題意義及背景71.2設(shè)計(jì)課題任務(wù)及要求71.3設(shè)計(jì)內(nèi)容72設(shè)計(jì)原理及方案比較12.1設(shè)計(jì)原理12.2方案比較12.3設(shè)計(jì)方案32.4直流電壓源的設(shè)計(jì)32.4.1設(shè)計(jì)

8、要求32.4.2直流穩(wěn)壓電源工作原理33設(shè)計(jì)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(yùn)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(huì)13參考文獻(xiàn)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(shí)物圖18附錄C 元件清單191緒論1.1設(shè)計(jì)課題意義及背景電

9、子技術(shù)是當(dāng)今科技發(fā)展的熱點(diǎn)，各先進(jìn)國(guó)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(diǎn)之一是它的實(shí)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(yùn)用到實(shí)踐中去，課程設(shè)計(jì)就是電子技術(shù)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。濾波器是信號(hào)處理的重要單元,在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。按處理信號(hào)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(luò)由電阻、電容及有源器件(三極管、運(yùn)算放大器等,通常是運(yùn)算放大器) 構(gòu)成。因?yàn)椴挥秒姼性?所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點(diǎn)

10、。有源濾波器有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易于制造等。由于運(yùn)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(hào)增益和緩沖作用，并可用簡(jiǎn)單的級(jí)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(hào)處理,可作為抑制干擾、噪聲、衰減無用頻率信號(hào)而突出有用頻率信號(hào)達(dá)到提高噪聲比或選頻的目的。在實(shí)際應(yīng)用中,綜合考慮電路濾波特性和信號(hào)增益,一般選用有源濾波器,因此,研究其設(shè)計(jì)有很大的實(shí)際意義。1.2設(shè)計(jì)課題任務(wù)及要求設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)內(nèi)容（1）電路設(shè)計(jì)方案比較

11、；（2）電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇； （3）單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析；（4）實(shí)物制作；（5）系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測(cè)試數(shù)據(jù)表）；（6）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。1212設(shè)計(jì)原理及方案比較2.1設(shè)計(jì)原理二階高通濾波器的特點(diǎn)是，只允許高于截止頻率的信號(hào)通過。圖1 二階有源濾波器設(shè)計(jì)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(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)，反饋很弱；當(dāng)信號(hào)頻率趨于無窮大時(shí)，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(dāng)，就既可能在時(shí)使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會(huì)因負(fù)反饋過強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。同相輸入端電位控制由集成運(yùn)放和R1、R2組成的

12、電壓源，故稱為壓控電壓濾波電路。同時(shí)該電路具有減少、增益穩(wěn)定、頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。電路中C、R構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。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(fù)反饋二階高通濾波器無限增益多路負(fù)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(fù)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(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選用壓控電

13、壓源二階高通濾波器。2.3設(shè)計(jì)方案圖4是一個(gè)二階高通濾波器。圖中虛線部分是一個(gè)無源二階高通濾波器電路，為了提高它的濾波性能和帶負(fù)載的能力，將該無源網(wǎng)絡(luò)接入由運(yùn)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(shè)計(jì)2.4.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，當(dāng)輸入為有效值220V的交流電壓時(shí)，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(gè)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(dòng)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(fù)載的變化而變化。3設(shè)計(jì)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?yàn)樵O(shè)計(jì)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(jí)左右，這里選擇C=1F，所以R=1.59k，實(shí)際電阻選擇1.6k的電位器。3.1.2運(yùn)放部分運(yùn)放部分如圖7所示, 其通道增益 因?yàn)橐笸◣?nèi)增益23倍，這里選擇增益為=2.5，取R1=2k Rf=3k，滿足。圖7 運(yùn)放部分運(yùn)放選擇741通用運(yùn)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(yùn)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(diǎn)，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(shè)計(jì)

16、要求最大輸出電流為I0max=500mA，整流二極管的參數(shù)應(yīng)滿足最大整流電流I1.5I0max=0.75A，最大反向電壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)選電解電容，實(shí)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(shè)計(jì)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(shí)得出的下限截止頻率為102.315Hz，與當(dāng)初設(shè)計(jì)的100Hz十分接近。圖11 波特儀所示截止頻率當(dāng)輸入信號(hào)為50Hz 5v時(shí)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(dāng)輸入信號(hào)為50Hz 5v時(shí)示波器顯示當(dāng)輸入信號(hào)為200Hz 5v時(shí)示波器顯示如圖13所示，其幅度增益約=2.5，說明信號(hào)能通過電路，符合設(shè)計(jì)要求。圖13 當(dāng)輸入信號(hào)為200hz 5V時(shí)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(duì)電路進(jìn)行組裝：按照自己設(shè)計(jì)的電路，在在PCB板上焊接。焊接完畢后，應(yīng)對(duì)照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯(cuò)接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對(duì)安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整和測(cè)量，使電路的性能達(dá)到要求。安裝前應(yīng)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(cuò),從輸入級(jí)開始向后級(jí)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(gè)，一個(gè)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(hào)。輸入U(xiǎn)i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(yīng)現(xiàn)用萬用表檢測(cè)引線及各個(gè)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(cè)量直流電源的各個(gè)端口，經(jīng)測(cè)量其各個(gè)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(hào)頻率從0Hz到4000Hz中取10組不同頻率的信號(hào)，調(diào)試結(jié)果如表一所示。表1 二階有源高通濾波電路實(shí)驗(yàn)值輸入信號(hào)頻率（f/Hz）輸入信號(hào)幅值（Ui/mV）輸出信號(hào)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(hào)頻率的升高，輸出幅值逐漸增大，說明其無源濾波網(wǎng)絡(luò)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(cè)運(yùn)放的7腳電壓只有9.58V，沒有達(dá)到要求的12V，說明運(yùn)放沒有正常工作，所以輸出信號(hào)的增益會(huì)出現(xiàn)問題。心得體會(huì)經(jīng)過幾個(gè)星期的工作，我們的二階有源濾波網(wǎng)落并沒有正常運(yùn)行。但在使用Multisim10.0進(jìn)行仿真得到了要求的結(jié)果，表明理論知識(shí)沒有問題而實(shí)際操作有一定的偏差。在以后的課程設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)實(shí)際操作能力，本次課程設(shè)計(jì)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(xué)會(huì)用 Multisim10.0進(jìn)