二階RC有源帶通濾波器的設(shè)計10..

1、電子設(shè)計大賽題目：二階帶通濾波器電路設(shè)計小組成員：董續(xù)盛（組長）學(xué)號:20 1122110 71200 85楊坤學(xué)號:2011221105200 224陳貽凡學(xué)號:20112211 05200 153專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)院系：物理學(xué)與電子科學(xué)技術(shù)學(xué)院完成時間:2013年5月29日星期三二階帶通濾波器的設(shè)計摘要：帶通濾波器是指能夠通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量，但將其他范圍的頻 率分量衰減到極低水平的濾波器。本文重點介紹了以MultisimMultisim 仿真軟件為平臺，分析和設(shè)計了帶通濾波器電路。使用虛擬示波器、波特圖示儀等設(shè)備，采用理論 分析、計算和交流仿真分析等多種方法，詳細探討了帶通濾波

2、器電路的原理及工 作特性，完成實際電路仿真，給出了MultisimMultisim 軟件電路仿真過程和效果。介紹了 高低通濾波器的工作原理。設(shè)計了一個由高通濾波電路和低通濾波電路級聯(lián)而組 成的帶通濾波，給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計方法以及主要模塊的原理分析。實驗結(jié)果 表明，該濾波器具良好的濾波效果以及運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：MultisimMultisim 帶通濾波器 仿真一、濾波器的分析1.1 簡介帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻 率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。 1.2 工作原理一般的理想濾波器應(yīng)該有一段完全平坦的通帶，在那段頻帶內(nèi)信號能無衰

3、減 的輸出，實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外 的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離 的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度 dBdB 來表示。 通常，濾波器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更 加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦一開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。1.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及主要電路整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，由高通濾波電路，低通濾波電路及其他輔助電路組成，1-N-HPFLPF1- 1/1本電路實現(xiàn)了信號有各種頻率到頻

4、率只剩下 1000Hz1000Hz 到 100kHz100kHz 的變換。該系統(tǒng)工作過程 為：第一階段：各種頻率的信號輸入高通濾波器，低于高通濾波器截止頻率的信號被衰減 到很小，導(dǎo)出高于截止頻率的信號。第二階段： 由高通濾波器導(dǎo)出的信號進入低通濾波器， 經(jīng)過電路作用， 高于低通濾波器的截止頻率 率的信號被衰減到很小，導(dǎo)出頻率介于 1000Hz1000Hz 到 100kHz100kHz 之間的信號間的信號1.4 濾波器的分析及設(shè)計1.4 . 1 濾波器按元件分類分為無源濾波器和有源濾波器(1)(1) 無源濾波器：由電感 L L、電容 C C 及電阻 R R 等無源元件組成。(2)(2) 有源濾波

5、器：一般由集成運放以及 RCRC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定 等優(yōu)點，同時，由于集成運放的増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， 衰減 無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達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)中的小信兮處理。1.4.2 本文主要用到有源濾波器，下面我們介紹一下幾種有源濾波器。(1 1 ). .二階低通濾波器。如圖 1 1 (a a)所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級 RCRC 濾波環(huán)節(jié)與 同相比例運算電路組成，其中第一級電容 C C 接至輸出端，引入適量的

6、正反饋，以 改善幅頻特性。圖 1 1 (b b)為二階低通濾波器幅頻特性曲線。畑)電路國他)頻率特性圖 1 1 二階低通濾波器階低通濾波器性能參數(shù)表達式為sC2=1/(CGRR)(3.2.1.1)Q=0.707sC/Q=1/R1C+1/艮C+(1+AV)/R2C(3.2.1.2)AV=1+R/R3(321.3)(2 2). .高通濾波器將圖 2 2 低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖 2(a)2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系圖 2 2 (b b)為二階高通濾波器幅頻特性曲線。(a)電路圖幅頻特性圖 2 2

7、 二階高通濾波器 二階高通濾波器性能參數(shù)表達式為sC2=1/(CGRR)(3.2.2.1)Q=0.707sC/Q=1/RiC+1/艮C+(1+A/)/R2C (322.2)AV=1+RTR3(3.2.2.3)(3)(3) . .帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成。 如圖3 3 (a a)所示。本電路的優(yōu)點是改變 R R 和 R R 的比例就可改變頻寬而不影響中心頻 率。圖 3 3 ( b b)為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。(a)電路圖(2 幅頻

8、特性圖 3 3 二階帶通濾波器二階帶通濾波器性能參數(shù)表達式為3C2=(1/RI+1/R3)/R2C2(3.2.3.1)Q=3O/BW(323.2)AV=1+R/R5(AVW2) (3.2.3.3)1.4.3 濾波器的傳輸函數(shù)如下表表 3.1.2.13.1.2.1 二階 RCRC 濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)nm低通衛(wèi) 4 昱54 詔Qc兒電壓增益高通處Q%低、咼通濾波器的截止角頻率帶阻塞濾波器的中心角頻率帶通心QBW-帶通濾波器的帶寬設(shè)計的頻帶為從 1kHZ1kHZ 到 1OOkHZ1OOkHZ , ,頻帶較寬。當(dāng)要求帶通濾波器的通 帶較寬時，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純

9、用帶通濾波器要好。、二階帶通濾波器的設(shè)計2.1 電路的設(shè)計下圖是由二階高通濾波電路和低通濾波電路級聯(lián)而成的帶通濾波電路。有源濾波電路具有高輸入阻抗低輸出阻抗的特點，故便于級聯(lián)。電路后半部分采用壓控電壓源二階低通濾波電路過濾通帶外高頻信號。電路中同時引入正負反饋。當(dāng)信號趨于零時，由于 C3C3 的電抗趨于無窮大， 因而正反饋很弱；當(dāng)信號趨于無窮大 時，由于 C1C1 的電抗趨于零，因而 1 1( s s)趨于零。只要正負反饋引入得當(dāng)， 就既可能在 =1=1 2 2nRCRC 時使電壓放大倍數(shù)增大，又不會因為正反饋 增強而產(chǎn)生自激振蕩。 同相輸入端電壓則 由繼承運放和 R5R5, , R6R6 組

10、成的電壓源控制。 取 1=1= 2=C2=C, 3=3= 8=R8=R，則通帶放大倍數(shù)為usus=1+=1+ (R4R3R4R3)設(shè)L=12=12nRCRC 同樣, ,只有當(dāng) AusAus 33 時, ,電路才能正常工作而不產(chǎn)生自激振蕩。電路的品質(zhì)因數(shù)為 Q,Q,貝 U UQ=AUf=fL./ / | |us| |該帶通濾波器的通帶易得為：bw=-2.2 元件參數(shù)的選取根據(jù) =300Hz,=300Hz,=3400Hz=3400Hz 令前級和后級濾波器的品質(zhì)因數(shù)為 1 1,則各級濾波電路的通帶放大倍數(shù)易得為 2 2。由 f=1/2f=1/2 冗 RCRCQ=|Q=|= =/|/| us|us|選

11、擇各個元件參數(shù)數(shù)值如下：2=2= 4=4= 100100 nfnf ,1=1= 2=1.58k2=1.58k1=1= 3=13=1 nfnf,7=7= 8=1.62k8=1.62k兩個型號為 78057805 的集成塊由于 3 3,4 4,5 5,6 6 的選取不會影響截止頻率的大小，而只影響品質(zhì)因數(shù)和通帶放大倍數(shù)，選 3=3= 4=4= 5=5= 6=10k6=10k，滿足各級通帶放大倍數(shù)為 2 2,品質(zhì)因數(shù)為1 1。這樣，整個帶通濾波電路的通帶放大倍數(shù)為4 4。根據(jù)實際情況和仿真結(jié)果，現(xiàn)調(diào)整各參數(shù)數(shù)值結(jié)果如下2=2= 4=4= 100100nfnf , 1=1= 2=1.6k2=1.6k1

12、=1= 3=103=10nfnf, R7=R7=8=8= 1.6k1.6k3=3= 4=4= 5=5= 6=10k6=10k三、二階有源濾波電路仿真與結(jié)果分析3.1 濾波器仿真結(jié)果該電路的截止頻率為 1kHz1kHz。由于品質(zhì)因數(shù) Q=1,Q=1,當(dāng)信號頻率為 300Hz300Hz 時，電壓 放大倍數(shù)為 2 2。當(dāng)信號頻率小于 300HZ300HZ 寸，信號衰減的很快，并且迅速衰減到很?。?當(dāng)信號頻率大于 300HZ300HZ 時，信號均被放大通過，且放大倍數(shù)為 2 2。該電路的截止頻率為 100kHz100kHz。品質(zhì)因數(shù) Q=1Q=1,當(dāng)信號頻率為 3400Hz3400Hz 時，電壓放 大

13、倍數(shù)為 2 2。當(dāng)信號頻率低于截止頻率時，信號均被放大通過，且放大倍數(shù)為 2 2; 當(dāng)信號頻率高于截止頻率時，信號衰減的很快，并且迅速衰減到很小。由于該帶通濾波器的通帶頻率為 1kHz1kHz 到 100kHz100kHz，當(dāng)輸入信號的頻率為 50Hz50Hz，電壓幅值為 100mV100mV 時，分別測量高通濾波電 路和低通濾波電路的輸出，由圖可知，當(dāng)輸入信號為 50HZ50HZ 100mV100mV 時，前級高通濾波電路輸出幅值為 42uV42uV 的信號，后級低通濾波電路輸出幅值為 84uV84uV 的信號，信號衰減到很小。當(dāng)輸入信號的頻率為 1kHz1kHz，電壓幅值為 100mV10

14、0mV 時，分別測量高通濾波電路 和低通濾波電路的輸出，由圖可知，當(dāng)輸入信號為 1kHZ1kHZ 100mV100mV 時，前級高通濾波電路輸出幅值為 200m200mV V的信號，后級低通濾波電路輸出幅值為 400mV400mV 的信號，信號放大通過。當(dāng)輸入信號的頻率為 30kHz30kHz,電壓幅值為 100mV100mV 時，分別測量高通濾波電 路和低通濾波電路的輸出，通道B-391.456 mV-391,456 mV0.000 V通道A-195.171 mV-195,171 mV0.000 V時間8LD41mc81.041ms0.000 TIsat2*剛T2-T1觸發(fā)邊沿國國回還劃通道

15、n比例200 mWivrUH時間軸比例1 ms/Drv乂位養(yǎng)回Ml亟邁回回邑通道B匕匕爭j| 200mV/Div電平0V函回國小冀型正弦標創(chuàng)百胡丙_1由圖可知， 當(dāng)輸入信號為 30kHZ30kHZ 100mV100mV 時， 前級高通濾波電路輸出幅值 為 200m200mV V的信號，后級低通濾波電路輸出幅值為 400mV400mV 的信號，信號放大通過。 當(dāng)輸入信號的頻率為 100kHz100kHz，電壓幅值為 100mV100mV 時，分別測量高通濾波電路和 低通濾波電路的輸出71 1*劃時胃通道上| 丄 CTT7i m m3.421 ms-119.523 mV35Z008 mVT2SB3

16、.421 ms-119.523 mV352.00S mVT2ri0,000 50.000 V0.000 V時間軸_通道A通道B觸發(fā)比例20 us/Dv比例200 mV/Div比例200 fnV/Div邊沿BEE叮麗1乂位畫0Yf5S 0YfeS 0電平QV麗ITS蝴麗麗raroHfocin:類型運面麻密I面Firn由圖可知，當(dāng)輸入信號為 100kHZ100kHZ 100mV100mV 時，后級低通濾波電路輸出幅值為 400m400mV V的信號，信號放大通過。壓控電壓源二階帶通濾波電路仿真結(jié)果圖如下所示：_1由圖可知，當(dāng)信號頻率低于高通濾波器截止頻率1kHz1kHz 或者高于低通濾波器截止頻率

17、 100kHz100kHz 時，信號都迅速衰減到很小。當(dāng)信號頻率處于通帶之內(nèi)時，信號均 放大通過，且放大倍數(shù)為 4 43.2 誤差分析：3.2.1 元器件誤差由于計算得出的元器件參數(shù)比較理想化，而實際中用的元件很難匹配所有或多或少 值有一定差值3.2.2 運放的性能本次用到的運放為 78057805,不可能達到理想運放的虛短，虛斷的條件，因此輸出不可 能達到理想值，造成誤差。3.2.3 儀器的誤差函數(shù)發(fā)生器有 5050 歐姆的內(nèi)阻，示波器的本身誤差示數(shù)誤差以及波形抖動誤差。四、電路板的制作在電子元件安裝前，我們在宿舍用萬用表進行了測試，看導(dǎo)線、電阻是否正常工作。先布局再焊接最后檢查連線是否正確。我們按照電路圖以一定的順序檢查安裝的線路，看到?jīng)]有錯誤。五、設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計由于是小組獨立選定課題， 所以在此過程的開始時基本上所有人都在自己獨立思考，同時又由于設(shè)計所采用的仿真和制板軟件MultisimMultisim 在此之前基本不是很熟悉，因此本次課程設(shè)計的前期多半是在摸索中前進，當(dāng)然付出 中會有收獲，本次課程設(shè)計讓我弄懂了很多以前感覺模糊的東西，同時也帶給我成功的喜悅感，增加了我的自信心，當(dāng)我看到由我自己設(shè)計的東西由想法變成實物時，我的