無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)..

1、沙學(xué)院模電課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目系 （ 部 ） 電子與通信工程系 專 業(yè) （班 級(jí) ） 姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 起止日期數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)(11)系(部) ：電子與通信工程系專業(yè)：電子信息工程課題名稱無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 及 要 求1. 技術(shù)參數(shù)1) 了解2) 根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，3) 采用 a). 低通濾波器2. 設(shè)計(jì)要求(1(2(3(44 種無(wú)源濾波器的功能，熟悉無(wú)源濾波器的構(gòu)造。簡(jiǎn)要說(shuō)明電路的工作原理及本電路能達(dá)到的實(shí)用功能；Multisim 軟件完成4 種濾波器電路設(shè)計(jì)，要求仿真通過(guò)：b). 高通濾波器) 求出所設(shè)計(jì)濾波器各參數(shù)：低通濾波器、高通濾波器：截止頻率。帶通濾波器、帶阻濾

2、波器：中心頻率、帶寬、品質(zhì)因素。) 計(jì)算并選擇電路元件及參數(shù)；) 仿真調(diào)試電路；) 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告及使用說(shuō)明書(shū)。c). 帶通濾波器d). 帶阻濾波器設(shè) 計(jì) 工 作 量1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)；2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真；3、在Multisim 或同類型電路設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行仿真并進(jìn)行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，包括設(shè)計(jì)原理、仿真分析、調(diào)試過(guò)程，參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)總結(jié)等。進(jìn)度安排起止日期(或時(shí)間量)設(shè)計(jì)內(nèi)容(或預(yù)期目標(biāo))備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計(jì)方案論證第三天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第四天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第五天編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)教研室意見(jiàn)年月日系(部)主 管領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn)年月日長(zhǎng)沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表姓名李治兵學(xué)號(hào)20

3、11026115專業(yè)電子信息工程班級(jí)1班設(shè)計(jì)題目無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師龍英指導(dǎo)教師意見(jiàn)：評(píng)定等級(jí)：教師簽名：日期：答辯小組意見(jiàn)：評(píng)定等級(jí)：答辯小組長(zhǎng)簽名：日期：教研室意見(jiàn)：教研室主任簽名：日期：系（部）意見(jiàn)：系主任簽名：日期：說(shuō)明 課程設(shè)計(jì)成績(jī)分“優(yōu)秀”、 “良好” 、 “及格” 、 “不及格”四類；51. 無(wú)源濾波器定義52. 無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)53. 濾波器的分類54. 無(wú)源濾波器的發(fā)展歷程561. 工作原理62. 電路分析7111. 無(wú)源低通濾波器 112. 無(wú)源高通濾波器 113. 無(wú)源帶通濾波器 1215五參考文獻(xiàn)4. 無(wú)源帶阻濾波器 1315261. 無(wú)源濾波器定義無(wú)源濾波器，又稱L

4、C 濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波（3、 5、 7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無(wú)源濾波器。2. 無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動(dòng)諧波治理方法。3. 濾波器的分類 按所處理的信號(hào)按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。按所通過(guò)信號(hào)的頻段按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波

5、器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。 按照階數(shù)來(lái)分通過(guò)傳遞函數(shù)的階數(shù)來(lái)確定濾波器的分類。4. 無(wú)源濾波器的發(fā)展歷程（ 1 ） 1917 年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明了LC 濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。（ 2） 20 世紀(jì) 50 年代無(wú)源濾波器日趨成熟。（ 3）自 60 年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能

6、、高精度、穩(wěn)定可靠成為70 年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開(kāi)關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展；（ 4）到 70 年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來(lái)并得到應(yīng)用。（ 5） 80 年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。（ 6） 90 年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。1. 工作原理濾波器是一種選擇裝置，它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加工和處理，從中選出某些特定的信號(hào)作為輸出。電濾波器的任務(wù)是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選頻加權(quán)傳輸。電濾波器是Campbell 和 wagner 在第一次世界

7、大戰(zhàn)期間各自獨(dú)立發(fā)明的，當(dāng)時(shí)直接應(yīng)用于長(zhǎng)途載波電話等通信系統(tǒng)。電濾波器主要由無(wú)源元件R、 L、 C構(gòu)成，稱為無(wú)源濾波器。濾波器的輸出與輸入關(guān)系通常用電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)H(S)來(lái)描述，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)又稱為電壓增益函數(shù)，它的定義如下式中UO(S) 、 Ui (S) 分別為輸出、輸入電壓的拉氏變換。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，H (S)U 0 (S)Ui(S)1)U0(j )H(j )Ui(j )H(j )ej ( )S=j ，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫(xiě)成( 2)低通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖它的功能是通過(guò)從零到某一截止頻率高通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖的頻率為通帶。帶通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖率。由圖可知，它有兩個(gè)阻帶：式中 H

8、( j ) 表示輸出與輸入的幅值比，稱為幅值函數(shù)或增益函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性；( )表示輸出與輸入的相位差，稱為相位函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為相頻特性。幅頻特性與相頻特性統(tǒng)稱濾波器的頻率響應(yīng)。濾波器的幅頻特性很容易用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)僅研究一些基本的二階濾波電路。濾波器按幅頻特性的不同，可分為低通、高通、帶通和帶阻和全通濾波電路等幾種，圖附錄1 1 給出了低通、高通、帶通和帶阻濾波電的典型幅頻特性。1(a) 所示，圖中|H(j C)| 為增益的幅值，K為增益常數(shù)。由圖可知， C的低頻信號(hào)，而對(duì)大于 C的所有頻率則衰減，因此其帶寬B= C。1(b) 所示。 由圖可以看到，在0<

9、< C范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于c1(c) 所示。圖中 Cl 為下截止頻率， Ch為上截止頻率， 0為中心頻0< < Cl 和 > Ch，因此帶寬B= Ch- Cl。帶阻濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖1(d) 所示。由圖可知，它有兩個(gè)通帶：0< < Cl 及 > Ch和一個(gè)阻帶 Cl < < Ch。因此它的功能是衰減 Cl 到 Ch間的信號(hào)。通帶 > Ch也是有限的。(c)帶通濾波電路圖 1 各種濾波電路的幅頻響應(yīng) 二階基本節(jié)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)分別為：H (S)2 KP低通H(S)KS2高通S22SPS2PQPS P2

10、H(S)PQP帶通H(S)22K(S2Z2)帶阻式中K、函數(shù)可分別寫(xiě)成：S22PS2 PQP2SPp、 z和 p分別稱為增益常數(shù)、極點(diǎn)頻率、零點(diǎn)頻率和極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓轉(zhuǎn)移H(j )1j1QPP低通H(j )2P 1P12j2 QP高通H(j )1 jQP(P)帶通H(j )(K( Z22)22PP )jPPQP帶阻2. 電路分析(1) 無(wú)源低通濾波器如圖2 所示。2 無(wú)源低通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫(xiě)成：H(j )13)K12222211 R2C2 2 j3RCP2QP P幅值函數(shù)為：H(j )(12)22)P( 1)2QPP1(1 R2C2 2)2 (3RC )24

11、)10 3742截止角頻率c 10.3742 ，截止頻率f H cc 2.6724RCH 22)無(wú)源高通濾波器如圖3 所示。正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫(xiě)成：H(j )1幅值函數(shù)為：H(j )1P jQP3 無(wú)源高通濾波器電路111 j3R2C2 2 RC5)K2P 21 P2(1P2 )2( 1 P)2QP(1R2C122 )2(6)RC)21截止角頻率 c=2.67240.3742RC 3)無(wú)源帶通濾波器如圖4 所示。截止頻率fC= c。C 24 無(wú)源帶通濾波器電路正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫(xiě)成：H(j )7)KP1 jQP (P )P3111 j (RC)3RC幅值函數(shù)為：0 P 時(shí)， 0

12、 稱為帶通濾波器的中心頻率，即8)9)131121 (RC)29 RC10P0 P RC截止頻率c 是幅值函數(shù)自H (j P) 下降 3db( 即 H (j c)H(j P)2)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。由H(j )10)Q2cp21Qppc 1對(duì)上式求解得Ch21 4QP212QP4QP2102QP011)Cl14QP212QP1 4QP 1P02QP012)Ch ， Cl 分別稱為上截止頻率和下截止頻率。通頻帶寬度B 為B Ch ClQPQP13)品質(zhì)因數(shù)Q為0pQQp( 14)BB可見(jiàn)二階帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q等于極偶品質(zhì)因數(shù)Qp。 Q是衡量帶通濾波器的頻率選擇能力的一個(gè)重要指標(biāo)。( 4)無(wú)源帶阻

13、濾波器如圖5 所示。H(S)22K(S2Z2)S2P2QP S PH(j )K( Z22)22P(P )j QP0 P 時(shí)， 0 稱為帶阻濾波器的中心頻率，即5 無(wú)源帶阻濾波器電路15)16)RC17)c 是幅值函數(shù)自H (j P ) 下降 3db( 即 H ( j c )2QP (p)21pCChClCh ， Cl 分別稱為上截止頻率和下截止頻率。B為Q為H(j P)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。由H(j )18)1 4QP21P21 4QP 12QP2QP19)1 4QP212QP14QP212QP20)B Ch ClQPQP21)Q0 BQP22)三設(shè)計(jì)思路及電路仿真1. 無(wú)源低通濾波器1）先選定無(wú)源

14、低通濾波器的截止頻率fC =2kHz。2）再取兩個(gè)電阻R1=R2=R=1K 。3）根據(jù)無(wú)源低通濾波器截止頻率計(jì)算公式fC = =1 得 C 29.8nf, 則取 C1=C2=30nf。C 22.6724 2 RC（4） 根據(jù)以上參數(shù)，按圖6 電路進(jìn)行仿真。6 無(wú)源低通濾波器電路圖7 無(wú)源低通濾波器仿真圖從圖中可以看出截止頻率fC =1.994kHz, 則此濾波器能夠?yàn)V掉超過(guò)1.994kHz 的波。2. 無(wú)源高通濾波器（ 1）先選定無(wú)源高通濾波器的截止頻率fC =20kHz。（ 2）再選取兩個(gè)電阻R1=R2=R=1K 。（ 3）根據(jù)無(wú)源高通濾波器截止頻率計(jì)算公式fC = = 2.6724 得 C

15、 21.3nf, 則取 C1=C2=22nf。C 22 RC（4） 根據(jù)以上參數(shù)，按圖8 電路進(jìn)行仿真。8 無(wú)源高通濾波器電路圖9 無(wú)源高通濾波器仿真圖fC =19.891kHz, 則此濾波器能濾掉低于19.891kHz 的波。3. 無(wú)源帶通濾波器1）先選定無(wú)源帶通濾波器的中心頻率fC =1.5kHz。2）再選取兩個(gè)電阻R1=100 ,R2=1K ,C1=1uf 。得C2 0.11uf, 取 C2=0.1nf 。3）根據(jù)無(wú)源高通濾波器中心頻率計(jì)算公式fC = 122R1R2C1C2（4） 根據(jù)以上參數(shù)，按圖10 電路進(jìn)行仿真。10 無(wú)源帶通濾波器電路圖11 無(wú)源帶通濾波器仿真圖112 無(wú)源帶通

16、濾波器仿真圖2圖 13 無(wú)源帶通濾波器仿真圖3從圖中可以看出中心頻率fC =1.517kHz，通帶寬度BW=18.546kHz ，品質(zhì)因素Q= fC /BW=0.08 。則此濾波器能濾掉頻率超出133.618Hz18.68kHz 范圍之外的波。4. 無(wú)源帶阻濾波器1）先選定無(wú)源帶阻濾波器的中心頻率fC =5kHz。2）再選取兩個(gè)電阻R1=R2=R3=R=1 K 。3) 根無(wú)源高通濾波器中心頻率計(jì)算公式1fC =得 C1=C2=C3=C 31.8nf.22 RC則取C1=C2=C3=30nf。(4) 根據(jù)以上參數(shù)，按圖14電路進(jìn)行仿真。14 無(wú)源帶阻濾波器電路圖15 無(wú)源帶阻濾波器仿真圖116

17、無(wú)源帶阻濾波器仿真圖2圖 17 無(wú)源帶阻濾波器仿真圖3從圖中可以看出中心頻率fC =5.347kHz，通帶寬度BW=19.35kHz ，品質(zhì)因素Q= fC /BW=0.28 。則此濾波器能濾掉頻率范圍在1.251kHz20.601kHz 內(nèi)的波。四設(shè)計(jì)心得與體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)的課題是無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器， 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到過(guò)很多困惑，通過(guò)上網(wǎng)、圖書(shū)館查資料、咨詢老師等途徑等途徑解決了不少困惑。掌握了更多有關(guān)濾波器的知識(shí)。同時(shí)，在這次課程設(shè)計(jì)中也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。好多理論知識(shí)都還未掌握透徹，不能完全地把學(xué)到的正確的用在實(shí)踐

18、中。另外，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)課程過(guò)程中遇到問(wèn)題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問(wèn)題記錄下來(lái)，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問(wèn)題的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，但是從中學(xué)到的知識(shí)會(huì)讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問(wèn)題和實(shí)踐能力的提高都會(huì)受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。設(shè)計(jì)過(guò)程，好比是我們?nèi)祟惓砷L(zhǎng)的歷程，常有一些不如意的事，但畢竟這是第一次做，難免會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。我們通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，并請(qǐng)叫同學(xué)老師，交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺(jué)理論上已經(jīng)掌握，但在運(yùn)用到實(shí)踐的過(guò)程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過(guò)一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。我認(rèn)為，在這學(xué)期的課程設(shè)計(jì)中，在收獲知識(shí)的同時(shí)，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過(guò)程中，我們