有源濾波器模電課程設(shè)計(jì)

1、鄭州科技學(xué)院模擬電子課程設(shè)計(jì)題 目 二階有源高通濾波器 學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 院 （系） 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 目 錄1 課程設(shè)計(jì)的目的12 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求13 設(shè)計(jì)方案與論證1 3.1 有源濾波器各部分電路的作用1 3.2 方案的選擇2 3.2.1 濾波器的選擇2 3.2.2 級(jí)數(shù)的選擇3 3.2.3 運(yùn)放的要求3 3.2.4 元器件的選擇44 有源濾波器的設(shè)計(jì)與原理 4 4.1 有源濾波器的基本概念4 4.2 有源濾波器的傳輸函數(shù)5 4.3 有源濾波器的設(shè)計(jì)5 4.4 電路性能參數(shù)65 電路仿真（計(jì)算與說(shuō)明）6 5.1 Multisim軟件介紹7 5.2 Multisim電路仿真

2、分析76 硬件的制作與調(diào)試12 6.1 電路的焊接制作12 6.2 電路的調(diào)試和誤差分析127 總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 15附錄1：總體電路原理圖16附錄2：元器件清單17附錄3：電路實(shí)物圖181 設(shè)計(jì)目的1 學(xué)習(xí)RC有源濾波器的設(shè)計(jì)方法；2 綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，掌握一般電子線(xiàn)路分析和設(shè)計(jì)的基本方法和步驟；3 培養(yǎng)一定的獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；4 實(shí)踐利用EDA軟件繪制電子線(xiàn)路原理圖、PCB圖；5 學(xué)會(huì)說(shuō)明書(shū)的規(guī)范整理和書(shū)寫(xiě)。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 設(shè)計(jì)二階RC高通濾波器電路，計(jì)算電路元件參數(shù)，擬定測(cè)試方案和步驟；2 在multisim里仿真電路，測(cè)量并調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)；3 由濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

3、計(jì)算電路元件參數(shù)；4 掌握有源濾波器的測(cè)試方法；5 測(cè)量有源濾波器的幅頻特性；6 寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告。3 總方案設(shè)計(jì)3.1 有源濾波器各部分電路的作用有源濾波電路主要由：RC網(wǎng)絡(luò)、放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)三部分組成。（1）RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。（2）放大器的作用電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益同相放大器 具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。（3）反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 將輸出信號(hào)的一部分或全部通過(guò)牧電路印象輸入端，稱(chēng)為反饋，其中的電路稱(chēng)為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。3.2 方

4、案選擇濾波器在通信測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻帶內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無(wú)窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此我們采用各種函數(shù)來(lái)逼近理想濾波器的頻率特性。濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒(méi)有特殊的說(shuō)明時(shí)一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。3.2.1 濾波器的選擇由于巴特沃斯濾波器通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶內(nèi)則逐漸下降為零，

5、在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上，從某一邊界角頻率的增加而逐漸減少，趨向負(fù)無(wú)窮大，本次我選擇設(shè)計(jì)巴特沃斯二階有源低通濾波器和高通濾波器；而帶通濾波器要求通帶較寬時(shí)，用低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成比直接用環(huán)型帶通濾波器要好。3.2.2 級(jí)數(shù)的選擇 一階濾波器電路最簡(jiǎn)單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)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。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(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函

6、數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)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(jí)數(shù)n應(yīng)滿(mǎn)足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)，根據(jù)帶外衰減特性的要求，我選擇二階濾波器。3.2.3 運(yùn)放的要求在無(wú)特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。要讓濾波器的反饋能夠滿(mǎn)足其對(duì)濾波器特性的要求，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益要求在80db以上。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，以至于使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過(guò)100k,則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。本電路選擇了八管腳的UA741單運(yùn)放，其管腳如圖3-2：圖3-2 UA741引腳圖3.2.

7、4 元器件的選擇  電容的選擇: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，因此有許多個(gè)元件均可滿(mǎn)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(chēng)值的分檔較少，電容難配，而電阻易配.所以一般從選定電容入手，具體選擇情況詳見(jiàn)附錄2。電阻的選擇:根據(jù)電容的確定和規(guī)定的截止頻率和帶內(nèi)增益以及參數(shù)計(jì)算得的結(jié)果和市場(chǎng)上所出售的情況而選擇，詳見(jiàn)附錄2。 4 有源濾波器的設(shè)計(jì)與原理4.1 有源濾波器的基本概

8、念 由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱(chēng)為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類(lèi)濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對(duì)頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)等濾波器，我們?cè)O(shè)計(jì)的是高通濾波器。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實(shí)現(xiàn)，只能用實(shí)際的幅頻特性逼近。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。濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二

9、階RC有源濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.2 有源濾波器的傳輸函數(shù) （4-1）4.3 有源高通濾波器的設(shè)計(jì)高通濾波器的性能與低通濾波器相反，高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。如圖4-1所示，高通濾波器的基本電路圖。圖4-1 有源高通濾波器簡(jiǎn)單電路圖4.4 電路性能參數(shù) （4-2） 二階高通濾波器的通帶增益 (4-3) 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 （4-4）品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。5 電路仿真電路設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)是仿真與調(diào)試，這就需要進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，此次仿真使用的是Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)操作跟實(shí)際相似，但比

10、實(shí)際方便、省時(shí)，通過(guò)仿真測(cè)試電路各方面性能良好。 5.1 Multisim軟件介紹Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿真實(shí)驗(yàn)和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛筒糠謴?qiáng)電電路的仿真、分析和設(shè)計(jì)。  Multisim是一種優(yōu)秀而易學(xué)的WDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點(diǎn)就是提供了一個(gè)操作簡(jiǎn)便且與實(shí)際相似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。他幾乎能對(duì)”電子技術(shù)

11、”課程中所有基本電路進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程和儀器操作方法與實(shí)際相似，但比實(shí)際方便、省時(shí)。他還能進(jìn)行實(shí)際無(wú)法或不便進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)儲(chǔ)存和打印等方法可精確記錄器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實(shí)際工作狀態(tài)和性能。5.2 Multisim電路仿真與分析圖5-1 有源濾波器仿真電路圖如上圖所示，此電路上半部分是一個(gè)同相比例放大電路，由兩個(gè)電阻R3、Rf和一個(gè)理想運(yùn)算放大器構(gòu)成。R3為15K、Rf為10K。下半部分是一個(gè)二階RC濾波電路，由兩個(gè)電阻R1、R2及兩個(gè)電容C1、C2構(gòu)成。其中R1、R2均為8.2K,C1、C2均為10nF。電路由一個(gè)幅度為6V、頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸

12、入信號(hào)。(1) 理論分析通帶電壓放大倍數(shù)：低頻下，兩個(gè)電容相當(dāng)于開(kāi)路，此電路為同相比例器。 (5-1)通帶截止頻率： (5-2)（2） 濾波器輸入輸出波形分析在Multisim軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬雙蹤示波器，將示波器的A、B端分別連接電路的輸入端和輸出端，再點(diǎn)擊仿真開(kāi)始按鈕進(jìn)行仿真，得到如圖5-3波形：圖5-2 信號(hào)源輸入端接信號(hào)源如圖5-2： (5-3) (5-4)圖5-3 二階高通濾波器輸入輸出波形圖5-3為電路輸出信號(hào)的頻率為500HZ,幅度是12V時(shí)濾波器的輸入輸出波形。波形幅度大的是電路輸入信號(hào)，另外一條是電路輸出信號(hào)。示波器的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電壓的幅度。選擇2ms/

13、div的掃描率，縱軸比例為5v/div，輸出方式為Y/T方式。從圖中可以看出輸出信號(hào)和輸入信號(hào)頻率相同，說(shuō)明濾波器不改變輸出信號(hào)頻率，但在輸入信號(hào)頻率小于濾波器的截止頻率時(shí)，輸出信號(hào)的幅度遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)的頻率，說(shuō)明輸出信號(hào)衰減明顯。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率，使其分別為500HZ、1KHZ、2KHZ、3KHZ時(shí)，從示波器可以看出輸入信號(hào)頻率在2KHZ以下時(shí)，電路的放大作用明顯，而小于2KHZ時(shí)，波形開(kāi)始逐漸被衰減，這說(shuō)明截止頻率接近2KHZ。我們發(fā)現(xiàn)，僅通過(guò)示波器分析，很難得出截止頻率的準(zhǔn)確值，也不能直觀看出輸入信號(hào)的頻率對(duì)放大電路性能的影響，于是用波特儀來(lái)準(zhǔn)確觀察電路的輸入輸出特性。（3） 幅頻特性分

14、析在虛擬儀器欄中選擇虛擬波特儀，將波特儀的輸入輸出端分別接到電路的輸入輸出端，再點(diǎn)擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，得到如下波形：圖5-4 有源高通濾波器幅頻特性該高通濾波器的通頻帶的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，衰減率可達(dá)到每十倍頻40分貝，濾波特性很理想，從圖中可以看出截止頻率，與理論計(jì)算結(jié)果相符。6 硬件制作與調(diào)試6.1 電路的焊接制作 （1) 按仿真圖購(gòu)買(mǎi)所需要的元器件。(2) 在電路板上進(jìn)行焊接。(3) 焊接好線(xiàn)路，進(jìn)行測(cè)試。(4) 觀察輸出波形是否正確。6.2 電路的調(diào)試和誤差分析把輸出端接示波器，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率觀察波形的變化。在測(cè)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)無(wú)波形輸出，檢

15、查電路才發(fā)現(xiàn)原來(lái)是電源正負(fù)極接反了，改回來(lái)后有了正常的波形。由于計(jì)算得出的元器件參數(shù)比較理想化，而實(shí)際中用的元件很難匹配所有的參數(shù)，如低通濾波器中的R1，R2，取值為8.2K，現(xiàn)實(shí)中無(wú)法買(mǎi)到阻值為8.2K的電阻，只能通過(guò)幾個(gè)電阻串聯(lián)的形式盡可能的接近它。至于電容，誤差更大（電容的誤差在20%內(nèi)便為合格）。7 總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)，老師給與了我們相當(dāng)大的幫助。提供了若干個(gè)課題，供同學(xué)選擇，而且強(qiáng)制要求一人一個(gè)課題，最大限度上逼同學(xué)培養(yǎng)出獨(dú)立思考的能力。這個(gè)課題的內(nèi)容在很多參考資料書(shū)上都有相關(guān)介紹，電路圖也大同小異，因而可以說(shuō)選擇原理電路的過(guò)程還是很容易的，但是事實(shí)上，濾波電路的原理雖然說(shuō)也很重要，

16、但卻不是試驗(yàn)成功最難的一步，相比較之下，根據(jù)原理圖的要求，選擇各類(lèi)元器件才是最麻煩的一步。開(kāi)始的時(shí)候不知道要先選取電容值，走了很多彎路，設(shè)計(jì)性能也達(dá)不到要求。后來(lái)查找資料發(fā)現(xiàn)有源濾波器頻率和電容有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)表，根據(jù)頻率選定電容范圍，再根據(jù)公式推算電阻，才能很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 經(jīng)歷了多次失敗的仿真結(jié)果后，我暫時(shí)停止了盲目仿真的過(guò)程，我開(kāi)始在網(wǎng)絡(luò)上和書(shū)籍中查閱相關(guān)資料，進(jìn)一步學(xué)習(xí)濾波器的相關(guān)知識(shí)，為合理調(diào)整電路元器件的數(shù)值打基礎(chǔ)。與此同時(shí)又參閱了部分Multisim的教程，以及網(wǎng)上的經(jīng)驗(yàn)之談。前一次的失敗工作雖然沒(méi)有為我?guī)?lái)滿(mǎn)意的數(shù)據(jù)，但是反復(fù)操練帶來(lái)的熟練程度，讓我在后來(lái)的仿真實(shí)驗(yàn)中受

17、益匪淺，面對(duì)全英文的操作界面也不再是處處茫然，常用的儀器、元器件也知道該如何去找去用了。及時(shí)充電過(guò)后的正式仿真相比之下就顯得容易多了。先設(shè)定一個(gè)預(yù)期的結(jié)果，再根據(jù)預(yù)期結(jié)果反推所需的元器件及參數(shù)，接著在軟件自帶的器件庫(kù)內(nèi)找齊所需元件再連接即可。由于事先算好了數(shù)據(jù)，故得到的曲線(xiàn)與理論值相當(dāng)接近。本次課程設(shè)計(jì)其實(shí)學(xué)到了很多東西。最基本的當(dāng)然是濾波器的相關(guān)知識(shí)；其次是Multisim軟件的基本操作和應(yīng)用；除此之外在老師的提醒下我還知道了查閱電子元器件參數(shù)最權(quán)威的方式PDF文檔；還有一些零零散散的看似不起眼但卻又不能被忽略的小知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，更加強(qiáng)化了我一個(gè)概念無(wú)論做什么，一定要在事先做好充分的

18、準(zhǔn)備，那樣才不會(huì)在面臨意外時(shí)手忙腳亂?？偟膩?lái)說(shuō)，這次的設(shè)計(jì)讓我收獲很多，學(xué)習(xí)到了很多沒(méi)接觸過(guò)的知識(shí)，我也會(huì)更加注重聯(lián)系理論與實(shí)際，繼續(xù)努力！參考文獻(xiàn)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 謝自美.電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)·武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.3 童詩(shī)白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社， 2006.  4 陸秀令、韓清濤.模擬電子技術(shù).北京：北京大學(xué)出版社，2007.5 陳兆仁、電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究與設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社，2000.6 陳栓科、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，2010.7 吳友宇、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社，2004.8 王冠華、Multisim10電路設(shè)計(jì)及應(yīng)