高階有源帶通濾波器

1、 2013級(jí)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 高階有源帶通濾波器 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 周 軻 學(xué) 號(hào)： 1330140134 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26日 課程設(shè)計(jì)評(píng)定意見(jiàn)指導(dǎo)老師評(píng)閱意見(jiàn)指導(dǎo)老師簽字：指導(dǎo)老師評(píng)定成績(jī)教研室意見(jiàn)教研室主任簽字：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)生姓名周 軻課題名稱高階有源帶通濾波器內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一種高階RC有源帶通濾波器電路,中心頻率1KHz

2、,通頻帶800Hz1200Hz，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；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、中心頻率1KHz,通頻帶800Hz1200Hz；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有源帶通濾波器。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。2

3、015.6.226.23進(jìn)行實(shí)物的制作與調(diào)試。2015.6.246.25進(jìn)行說(shuō)明書書寫。實(shí)物答辯與說(shuō)明書收集。主要參考資料1熊幸明.電工電子實(shí)訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2007.266281，3123142曹才開.電路與電子技術(shù)試驗(yàn)M.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.128130，1591603謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第三版)M.武漢：華中科技2002.1451554康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M.北京：華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編, 高等教育出版社，2006.414429指導(dǎo)教師意見(jiàn)簽名：年 月 日教研室意見(jiàn)簽名：年 月 日模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任

4、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)生姓名周 軻課題名稱直流穩(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

5、7;12V、±9V 、±5V。2、最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓5mV，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、要求有短路過(guò)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)行實(shí)物的制作與調(diào)試。2015.6.246.25進(jìn)行說(shuō)明書書寫。實(shí)物答辯與說(shuō)明書收集。主要參考資料1熊幸明.電工電子實(shí)訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2007.266281，3123142曹才開.電路與電子技

6、術(shù)試驗(yàn)M.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.128130，1591603謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第三版)M.武漢：華中科技2002.1451554康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M.北京：華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編, 高等教育出版社，2006.414429指導(dǎo)教師意見(jiàn)簽名：年 月 日教研室意見(jiàn)簽名：年 月 日摘 要濾波器是一種具有頻率選擇功能的電路，它能使有用的頻率信號(hào)通過(guò)，而同時(shí)抑制不需要的信號(hào)，實(shí)際工程上常用它來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等，在通訊、聲納、測(cè)控、儀器儀表等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。課題小組通過(guò)對(duì)濾波器的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)帶通為800Hz120

7、0Hz，通帶內(nèi)增益為23倍，中心頻率為1000Hz的高階有源帶通濾波器，再用Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，觀察電路的幅頻特性曲線。最后進(jìn)行實(shí)物的制作和調(diào)試。在誤差允許的范圍內(nèi)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵字：高階；有源；帶通濾波器；幅頻特性目 錄1概述41.1設(shè)計(jì)背景及意義41.2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求  42濾波器的基本介紹52.1濾波器工作原理   52.2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性52.2.1模擬濾波器的傳遞函數(shù)52.2.2模擬濾波器的頻率特性62.3濾波器的主要特性指標(biāo)62.3.1 特征頻率62.3.2 增益與損耗72.3.3阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)7

8、2.4帶通濾波電路總設(shè)計(jì)思路72.4.1二階低通濾波器92.4.2二階高通濾波器93電路設(shè)計(jì)及元器件參數(shù)選取103.1芯片選取103.2高階有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)103.2.1低通部分的設(shè)計(jì)103.2.2 高通部分的設(shè)計(jì)113.3直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)123.3.1直流穩(wěn)壓電源的原理123.3.2直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)思路123.3.3直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計(jì)算134電路的仿真與分析154.1 仿真電路圖154.2 仿真結(jié)果154.3仿真誤差分析165電路板的制作與調(diào)試185.1原理圖和PCB圖的繪制  185.2焊接185.3調(diào)試185.4誤差分析20結(jié)束語(yǔ)21參考文獻(xiàn)22致 謝23附

9、錄24附錄A 原理圖24附錄B PCB圖25附錄C實(shí)物圖26附錄D元器件清單271概述1.1設(shè)計(jì)背景及意義在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，我國(guó)濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國(guó)際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來(lái)，使得我國(guó)許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國(guó)際發(fā)展有一段距離。我國(guó)現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無(wú)源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。未來(lái)幾年，無(wú)線通信設(shè)備的發(fā)展將會(huì)越來(lái)越快速，而在通信領(lǐng)域，濾波器將會(huì)得到更多范圍的應(yīng)用，這也會(huì)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的形成和發(fā)展，在我國(guó)形

10、成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)，為我國(guó)通信技術(shù)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型帶來(lái)更多更優(yōu)異的解決方案。另外濾波器未來(lái)將更具有操控系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，能夠達(dá)到更精確的檢測(cè)電網(wǎng)的諧波電流，能夠更好的達(dá)到抵償作用，并逐漸走向抵償設(shè)備的多功用化，在其操控回路后中也需要進(jìn)一步的改造，能夠很好的抵償基波的無(wú)功，而且還能更好的按捺電壓閃變和不平衡電壓。設(shè)計(jì)高階有源帶通濾波器有益于提高同學(xué)們的動(dòng)手能力，加強(qiáng)書本與實(shí)踐的結(jié)合，是提高學(xué)生實(shí)踐能力的有力手段。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求   （1）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）

11、設(shè)計(jì)一種高階RC有源帶通濾波器電路,中心頻率1KHz,通頻帶為800Hz1200Hz，通帶內(nèi)增益23倍。2濾波器的基本介紹 2.1濾波器工作原理    模擬帶通濾波器的原理是通過(guò)對(duì)電容、電阻參數(shù)的配置，使得模擬濾波器對(duì)頻率在通帶內(nèi)的頻率分量呈現(xiàn)很小的阻抗，而對(duì)頻帶外的頻率分量呈現(xiàn)很大的阻抗，這樣當(dāng)負(fù)載電流信號(hào)通過(guò)該模擬帶通濾波器的時(shí)候就可以把通帶內(nèi)的信號(hào)提出來(lái)，把通帶外的信號(hào)去除。 2.2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號(hào)電壓或電流拉氏變換之比，常用來(lái)描述模擬濾波電路的特性。對(duì)于任意復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，均可分解為若干簡(jiǎn)單的一階

12、與二階濾波電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成。因?yàn)槿我鈧€(gè)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積，高階RC濾波器的傳輸函數(shù)如表1中所示。 表1 高階RC濾波器的傳輸函數(shù)類型傳輸函數(shù)性能參數(shù) 低通Q等效品質(zhì)因數(shù)電壓增益低、高通濾波器的截止角頻率帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率BW帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通 帶通 帶阻模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系。若濾波器的輸入信號(hào)是角頻率為的單位信號(hào)，濾波器的輸出會(huì)隨輸入信號(hào)的不同頻率而變化，稱為濾波器的頻率特性。頻率特性是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值稱為幅頻特性，其幅角表示輸出信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)相位的變化，稱為相頻特性。二階低

13、通濾波器、二階高通濾波器、高階帶通濾波器幅頻特性曲線如圖1-圖3所示。 圖1二階低通濾波器的幅頻特性曲線 圖2二階高通濾波器的幅頻特性曲線 圖3高階帶通濾波器的幅頻特性曲線一般來(lái)說(shuō)，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器RC階數(shù)越多，電路調(diào)試越困難。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效應(yīng)和切比夫雪等波動(dòng)效應(yīng)。2.3濾波器的主要特性指標(biāo) 特征頻率通帶截頻為通帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。阻帶截頻為阻帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率為信號(hào)功率衰減到(約為3dB)時(shí)的頻率，在很多情況下，常以作為通帶或

14、阻帶截頻。固有頻率為電路沒(méi)有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。此次課程小組設(shè)計(jì)的高階有源帶通濾波器，由一級(jí)二階低通濾波電路和一級(jí)二階高通濾波電路串聯(lián)組成。可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率大于高通濾波電路的截止角頻率。它能抑制低于以下和高于的信號(hào)。2.3.2 增益與損耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。 對(duì)低通濾波器通帶增益一般指時(shí)的增益;高通指時(shí)的增益;帶通則指中心頻率處的增益。 對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)通帶增益變化量指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果以為單位，則指增益值的變化量。此次課程小組設(shè)計(jì)的高階帶通濾波器的增益為，在要求的之間

15、。2.3.3阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(shù)是表征濾波器對(duì)角頻率為信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是高階帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)，。式中的為帶通或帶阻濾波器的帶寬，為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。此次課程小組設(shè)計(jì)的二階帶通濾波器選取的品質(zhì)因數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)因數(shù)以減少實(shí)驗(yàn)誤差。2.4帶通濾波電路總設(shè)計(jì)思路帶通濾波電路是由低通和高通濾波電路相串聯(lián)構(gòu)成。條件是低通濾波器的截止角頻率大于高通濾波器電路的截止角頻率,兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。設(shè)計(jì)原理圖、系統(tǒng)框圖如圖4、圖5所示。 圖4帶通濾波器設(shè)計(jì)原理 圖5系統(tǒng)原理

16、框圖在高階低通濾波器中，品質(zhì)因數(shù)對(duì)電路幅頻特性有很大的影響，如圖6所示。 圖6幅頻特性與Q的關(guān)系 在圖6中，可以看出當(dāng)Q等于0.707時(shí)，幅頻特性曲線最平坦，且頻率下降最小，濾波效果最好稱為巴特沃斯低通濾波器。所以課程小組選擇Q值為0.707時(shí)設(shè)計(jì)電路，減小設(shè)計(jì)誤差。在巴特沃斯低通高通電路階數(shù)n與增益G的關(guān)系如表2所示。由表2可知它的增益只能達(dá)到1.586，一個(gè)低通與一個(gè)高通電路進(jìn)行串聯(lián)增益為2.515，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 表2巴特沃斯低通高通電路階數(shù)n與增益G的關(guān)系階數(shù)n2468增益G一階1.5861.1521.0681.038二階2.2351.5861.337三階2.4831.889四階2

17、.6012.4.1二階低通濾波器 二階低通濾波電路是由兩階RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率ff0時(shí)（f0為截止頻率）電路的每級(jí)RC電路的相移趨于-90º，兩級(jí)RC電路的移相到-180º，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過(guò)電容C引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過(guò)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。 由濾波器的指標(biāo)要求可知，帶通范圍是，所以所

18、設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為。 2.4.2二階高通濾波器 二階高通濾波器是容許高頻信號(hào)通過(guò)，減弱頻率低于截止頻率信號(hào)通過(guò)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(wú)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(guò)觀察示波器可以看到信號(hào)放大了n倍。二階高通濾波器電路中既引入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于0時(shí)，反饋很弱；當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮

19、大時(shí)，由于RC的電抗很大，因而趨于0。所以，只要正反饋引入得當(dāng)，就可能在時(shí)使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增加，又不會(huì)因?yàn)榉答佭^(guò)強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。同相輸入端電位控制有集成運(yùn)放和組成的電壓源，故稱為壓控電壓濾波電路。同時(shí)該電路具有增益穩(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)。   3電路設(shè)計(jì)及元器件參數(shù)選取3.1芯片選取 要選擇一種集成運(yùn)放，首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設(shè)計(jì)的要求。UA741作為通用運(yùn)放，能滿足要求，UA741引腳圖、電路符號(hào)圖、實(shí)物圖如圖7所示。 （a）UA741引腳分布圖 (b）UA741電路符號(hào)圖 (C) UA741實(shí)物圖 圖7 UA7413.2

20、高階有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)3.2.1低通部分的設(shè)計(jì)先確定電容的大小就能夠進(jìn)行后續(xù)的參數(shù)計(jì)算，查找出濾波器工作頻率與電容取值的對(duì)應(yīng)表如表3所示。表3 濾波器工作頻率與電容取值的對(duì)應(yīng)表 根據(jù)截止頻率從表3中選定一定電容C的標(biāo)稱值，由公式 （1） （2） 設(shè)定低通和高通的 由式 (1)，(2)得(3) （3） 所以低通濾波器電路中，因此 由于增益，且運(yùn)放同相端與反相端的對(duì)地直流電阻相等 所以可得，低通濾波器電路設(shè)計(jì)圖如圖8所示。 圖8 低通濾波器電路設(shè)計(jì)圖3.2.2 高通部分的設(shè)計(jì) 根據(jù)截止頻率從表3中選定一定電容C的標(biāo)稱值，同理可得,所以高通濾波器電路中,因此,由于增益,且運(yùn)放同相端與反相端的對(duì)地直

21、流電阻相等，即。 由此可得，電路設(shè)計(jì)圖如圖9所示。 圖 圖9 高通濾波器電路設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)完高通濾波器和低通濾波器，則只需要把兩個(gè)電路串接到一起即可構(gòu)成帶通濾波器，帶通濾波器的電路圖如圖10所示。 圖10 高階帶通濾波器設(shè)計(jì)3.3直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源的原理 直流穩(wěn)壓電源是一種將220v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，直流穩(wěn)壓電源組成框圖如圖11所示。 圖11直流穩(wěn)壓電源組成框圖直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)思路 （1）電網(wǎng)供電電壓交流220v(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流與電壓。課題小組選

22、用了E148*24變壓器，變比為15:1。降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。這里課題小組選用了DB101整流橋。 （2）脈動(dòng)大的直流電壓必須經(jīng)過(guò)濾波、穩(wěn)壓電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。 （3）濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載。直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要得到+12V和-12V的電壓供給二階有源帶通濾波器使用。 設(shè)計(jì)電路中取Vz=4v， 。由 （4）得 （5） 在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)的直流電壓

23、U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓U2的有效值U2的關(guān)系如式（6）所示。 （6）在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓如式（7）所示。 （7）流過(guò)每只二極管的平均電流如式（8）所示。 （8）其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿足式（9）。 （9） 其中：T = 20ms是50Hz交流電壓的周期。電路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。最大輸出電流為，紋波電壓，穩(wěn)壓系數(shù)。

24、(10) 求解穩(wěn)壓系數(shù)的公式如式(11）所示。 （11）求解濾波電容的公式如式(12)所示。 (12) 其中濾波電容取，耐壓值為。4電路的仿真與分析4.1 仿真電路圖高階有源濾波器通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽。但這種濾波器通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用，常用于低頻場(chǎng)合。 圖12 高階帶通濾波器仿真原理圖4.2 仿真結(jié)果通過(guò)仿真測(cè)試增益最高點(diǎn)以及兩個(gè)點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性分析。如圖13所示，為增益最高點(diǎn)時(shí)的

25、幅頻特性，此時(shí)頻率，增益到最大處是，基本符合設(shè)計(jì)要求。 圖13 高階有源帶通濾波器的中心頻率緊接著測(cè)試下限頻率，如圖14所示，為左邊的點(diǎn)，此時(shí)，增益為，誤差較大。 圖14 高階有源帶通濾波器的下限頻率然后測(cè)試右邊點(diǎn)，即上限頻率點(diǎn)，如圖15所示，此時(shí)，增益為，誤差較大。 圖15 高階有源帶通濾波器上限頻率4.3仿真誤差分析仿真結(jié)果與理論值有差別，課程小組通過(guò)查閱資料了解到，一個(gè)低通濾波器和高通濾波器串接而成的高階有源帶通濾波器增益存在衰減，一般衰減左右，原因是兩個(gè)電路相互影響。于是課題小組分別測(cè)了低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性曲線。低通部分幅頻特性曲線如圖16所示，在圖中中可以看出，當(dāng)增益下降

26、到低通濾波器的點(diǎn)時(shí)，頻率為，符合設(shè)計(jì)要求。 圖16低通濾波器仿真結(jié)果高通濾波器的幅頻特性曲線如圖17所示，在圖中可以看出，當(dāng)增益下降到高通濾波器的點(diǎn)時(shí)，頻率為，符合設(shè)計(jì)要求。 圖17高通濾波器仿真結(jié)果 分別測(cè)低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性，仿真結(jié)果都正確。將它們串聯(lián)在一起后問(wèn)題就出來(lái)了，由此得出是由于低通和高通部分都出現(xiàn)了衰減，加上兩個(gè)電路串聯(lián)對(duì)相互有一定的影響，造成的仿真過(guò)程中出現(xiàn)了較大的誤差。5電路板的制作與調(diào)試5.1原理圖和PCB圖的繪制   通過(guò)Multisim對(duì)原理圖進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了選擇的方案以及元件參數(shù)的設(shè)置的正確性，繪制的原理圖及PCB圖見(jiàn)附錄。將PCB原理

27、圖導(dǎo)入生成PCB圖，經(jīng)過(guò)AD布線,連線畫出PCB圖。PCB圖將打印轉(zhuǎn)錄到萬(wàn)用板上，經(jīng)過(guò)腐蝕打孔，一塊PCB板就制作成功了。5.2焊接焊接的技巧就是先低后高，先簡(jiǎn)后繁，一點(diǎn)就放。課程小組采用的方法是點(diǎn)焊，烙鐵的溫度很高，接觸久了以后就會(huì)融化焊盤導(dǎo)致接觸不良等問(wèn)題。焊接過(guò)程中，需要先焊接較短小的元器件，以及引腳較少的元器件。再焊一些較大的元器件，這樣可以保證焊制的電路整齊美觀。5.3調(diào)試 課題小組成員在3407實(shí)驗(yàn)室把做好的高階帶通濾波器放到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，接上示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，示波器上A、B通道的波形很快就出來(lái)了，但是當(dāng)時(shí)，示波器上顯示只有很小的增益，調(diào)試波形如圖18所示。圖18 中心頻率時(shí)波形

28、圖 通過(guò)調(diào)節(jié)頻率的大小，課題小組發(fā)現(xiàn)基本滿足課程設(shè)計(jì)的要求，有帶通特性，只是增益不明顯。然后課題小組測(cè)了低通部分經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后的波形圖，如圖19所示。 圖19經(jīng)過(guò)低通部分時(shí)波形圖通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)電路的問(wèn)題出在高通部分，調(diào)試的結(jié)果顯示通帶內(nèi)增益很小。課程小組在網(wǎng)上搜集資料和課本理論知識(shí)相結(jié)合，分析得出出現(xiàn)這種情況的原因是選用的電阻值與計(jì)算值存在一定的誤差，而且在焊接過(guò)程中溫度過(guò)高對(duì)電阻的阻值有一定的影響。電路板的腐蝕過(guò)程中有些地方腐蝕也比較嚴(yán)重，由于這一系列的原因造成了這樣的結(jié)果。雖然有誤差還是測(cè)出了上限和下限頻率，分別如圖20、21所示。 圖20上限頻率時(shí)波形圖 圖21下限頻率時(shí)波形圖此次調(diào)試示波

29、器上顯示的數(shù)據(jù)與理論值存在一定的偏差，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，其頻率和增益的誤差如表4所示。 表4 頻率與增益的誤差分析表 頻率增益理論值實(shí)際值誤差相對(duì)誤差理論值實(shí)際值誤差相對(duì)誤差80064915118.9%5.012.112.957.8%10001000008.014.213.847.4%1200158738732.2%5.011.833.1863.4%5.4誤差分析 (1)可能是由于所用的電阻,電容與標(biāo)稱值存在差異而出現(xiàn)誤差； (2)可能是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)際輸出的信號(hào)與顯示值存在誤差； (3)可能是示波器導(dǎo)線接觸不良容易產(chǎn)生干擾測(cè)量不精確； (4)在焊接過(guò)程中電烙鐵溫度很高使得整塊電路板很燙可

30、能會(huì)影 響 響各元件的性能從而帶來(lái)一定誤差； （5）可能是腐蝕電路板過(guò)程中，腐蝕太嚴(yán)重導(dǎo)致電路導(dǎo)電性降低； (6)可能存在兩濾波器電路由于帶寬太窄而產(chǎn)生相互之間的影響。結(jié)束語(yǔ) 在做這次二階有源帶通濾波器課程設(shè)計(jì)之前，課題小組成員都以為很難做。開始大家都不敢動(dòng)手，對(duì)這個(gè)有一種畏懼心理 。幸好小組成員都沒(méi)有被嚇蒙。經(jīng)過(guò)兩個(gè)星期的努力，小組成員查閱各種資料。終于搞出了一點(diǎn)頭緒。雖然說(shuō)二階有源帶通濾波器這個(gè)課題原理不是很復(fù)雜，內(nèi)容不是很難，但是真正開始動(dòng)手來(lái)，課程小組成員都無(wú)從下手。經(jīng)過(guò)一番摸索課程小組終于設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)電路并進(jìn)行了參數(shù)的計(jì)算和選擇。但這才剛剛開始，把他做出來(lái)才是一個(gè)最大的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的探索，課題小組終于搞清了思路，買來(lái)了元器件。接下來(lái)課題小組打好了板子，然后打好孔，緊接著焊接調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中課題小組遇到了很多問(wèn)題，第一次調(diào)試的時(shí)候，可能由于板子的問(wèn)題，根本就沒(méi)有波形輸出。后來(lái)小組重新打了板子，把元器件重新裝了一遍。這次又有型的問(wèn)題出現(xiàn)了，我們發(fā)現(xiàn)我們的板子只有在低通部分有一級(jí)放大，而經(jīng)過(guò)高通部分不僅沒(méi)有放大，還有衰減。小組成員都不知道是什么原因，最后只有請(qǐng)來(lái)老師幫忙檢查電路，經(jīng)過(guò)老師的檢查，發(fā)現(xiàn)高通部分的芯片電源沒(méi)有接進(jìn)來(lái)。后來(lái)課題小組通過(guò)認(rèn)真的檢查電路，發(fā)現(xiàn)芯片的4角焊點(diǎn)松了，電源沒(méi)