二階帶通濾波器的設計-模擬電子技術課程設計報告

1、電子與電氣工程學院課程設計報告課 程 名 稱 模擬電子技術課程設計 設 計 題 目 二階帶通濾波器的設計 專 業(yè) 名 稱 自動化 班 級 自動化143班 學 號 201 學 生 姓 名 指 導 教 師 2016年5月30日電氣學院電子技術課程設計任 務 書設計名稱： 二階帶通濾波器的設計 學生姓名： 指導教師： 起止時間：自 2016 年 5 月 16 日起 至 2016 年 5 月 30 日止課程設計目的制作一個二階帶通濾波器。用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）。二、課程設計任務和基本要求設計任務：1.分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋二種方法設計電路；O=

2、1KHz；V12；4.品質因數(shù)Q12；5.用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）。基本要求：1.具有放大信號源的作用，能輸出相應的波形；2.能夠通過一定頻率范圍內(nèi)的信號源。三、設計目標 設計的二階帶通濾波器能通過一定頻率范圍內(nèi)的信號源。當輸入幅度為1V、頻率小于100Hz或大于8000Hz的正弦信號時，基本不能輸出正弦波形，而是幅度很小且不規(guī)則的曲線。當輸入頻率為中心頻率周圍的正弦信號時，能輸出完整且穩(wěn)定的波形。即二階帶通濾波器有濾波功能。電氣學院電子技術課程設計指導老師評價表院（部）電氣學院年級專業(yè)14級自動化學生姓名學生學號題 目二階帶通濾波器的設計指導老師評

3、語 成績評定指導老師簽名： 年 月 日 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc27428 摘要與關鍵字 PAGEREF _Toc27428 - 1 - HYPERLINK l _Toc7444 一、二階帶通濾波器的設計要求 PAGEREF _Toc7444 - 2 - HYPERLINK l _Toc15451 1.1 設計任務及要求 PAGEREF _Toc15451 - 2 - HYPERLINK l _Toc7807 PAGEREF _Toc7807 - 2 - HYPERLINK l _Toc9503 PAGEREF _Toc9503 - 2 - HYPER

4、LINK l _Toc839 PAGEREF _Toc839 - 2 - HYPERLINK l _Toc26401 二、電路設計原理及方案 PAGEREF _Toc26401 - 2 - HYPERLINK l _Toc848 PAGEREF _Toc848 - 2 - HYPERLINK l _Toc20347 PAGEREF _Toc20347 - 2 - HYPERLINK l _Toc24835 PAGEREF _Toc24835 - 2 - HYPERLINK l _Toc453 三、單元電路設計與參數(shù)計算 PAGEREF _Toc453 - 3 - HYPERLINK l _To

5、c14624 PAGEREF _Toc14624 - 3 - HYPERLINK l _Toc14622 PAGEREF _Toc14622 - 5 - HYPERLINK l _Toc11811 3.3用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V） PAGEREF _Toc11811 - 6 - HYPERLINK l _Toc31364 四、總原理圖 PAGEREF _Toc31364 - 8 - HYPERLINK l _Toc13250 PAGEREF _Toc13250 - 8 - HYPERLINK l _Toc2779 PAGEREF _Toc2779 -

6、9 - HYPERLINK l _Toc9028 五、 性能測試與分析 PAGEREF _Toc9028 - 10 - HYPERLINK l _Toc20060 PAGEREF _Toc20060 - 10 - HYPERLINK l _Toc18381 PAGEREF _Toc18381 - 11 - HYPERLINK l _Toc9277 PAGEREF _Toc9277 - 14 - HYPERLINK l _Toc18900 六、 結論 PAGEREF _Toc18900 - 16 - HYPERLINK l _Toc10446 七、利用Multisim仿真軟件設計體會 PAGER

7、EF _Toc10446 - 17 - HYPERLINK l _Toc10446 參考文獻 PAGEREF _Toc10446 - 17 -摘 要帶通濾波器(band-pass filter)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的設備。一個理想濾波器應該有一個完全平坦的通帶,例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減,并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉,另外,通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上,并不存在理想的帶通濾波器并不能夠將期望頻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d

8、B來表示。通常,濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好,這樣濾波器的性能就與設計更加接近。然而,隨著滾降范圍越來越小,通帶就變得不再平坦-開始出現(xiàn)波紋。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯,這種效應稱為吉布斯現(xiàn)象。除了電子學和信號處理領域之外,帶通濾波器應用的一個例子是在大氣科學領域,很常見的例子是使用帶通濾波器過濾最近3到10天時間范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù),這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了作為擾動的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率,這里濾波器的增益最大,濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。關 鍵 字Multisim；課程設計；濾波器；模擬電子技術一、二階帶通濾波器的設計要求1.1

9、設計任務及要求基本要求：（1）具有放大信號源的作用，能輸出相應的波形；（2）能夠通過一定頻率范圍內(nèi)的信號源。1.1.2設計任務: （1） 分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋二種方法設計電路； （2） 中心頻率f。=1Khz；（3） 增益Av=2；（4） 品質因素Q=10；（5）用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）。1.1.3設計目標：設計的二階帶通濾波器能通過一定頻率范圍內(nèi)的信號源。當輸入幅度為1V、頻率小于100Hz或大于8000Hz的正弦信號時，基本不能輸出正弦波形，而是幅度很小且不規(guī)則的曲線。當輸入頻率為中心頻率周圍的正弦信號時，能輸出完整且穩(wěn)定的波形。即

10、二階帶通濾波器有濾波功能。二、電路設計原理及方案帶通濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻率設置的小于低通的上限截止頻率。工作原理：這種濾波器的作用是只允許在某一個同通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率和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。方案設計與論證首先由設計要求可知,要求設計一個二階帶通濾波器。所謂帶通濾波器：即它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。且要求用兩種方案,一是壓控電壓源方法;二是用無限增益多路反饋方法設計。所設計的二階帶通濾波器的中心頻率fo=1KHz,

11、增益Av=12,品質因數(shù)Q=12。在這個實驗中要用到集成運放UA741,UA741是一種高增益運算放大器,其供電電壓是正負12V,在這個實驗中要求用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計所需的正負12v電源。方案一、用壓控電壓源設計電路：壓控電壓源（VCVS）電路，其中運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，電路性能穩(wěn)定，增益容易調節(jié)。其基本原理圖如圖2-1所示。圖2-1 壓控電壓源原理圖方案二、用無限增益多路反饋設計電路：無限增益多路反饋（MFB）電路，有倒相作用，使用元件較少，但增益調節(jié)對其性能參數(shù)會有影響。其基本原理圖如圖2-2所示。圖2-2 無限增益多路反饋原理圖三、單元電路設計與參數(shù)

12、計算3.1壓控電壓源二階帶通濾波電路圖3-1 壓控電壓源二階帶通濾波電路根據(jù)電路性能參數(shù): 當C1=C2=C,R1=R,R2=2R時，電路的傳遞函數(shù):Au(s)=Auf(s) （3-1）設中心頻率f0= QUOTE ,電壓放大倍數(shù)Au= QUOTE QUOTE （3-2）當f=f0時，得出通帶放大倍數(shù)Aup= QUOTE =QAuf .（3-3）使式（3-2）分母的模為 QUOTE ，即是式（3-2）的分母虛部的絕對值為1，即解方程，取正根，就可得到下限截止頻率fp1和上限截止頻率fp2分別為fp1= QUOTE -(3-Auf)（3-4）fp2= QUOTE +(3-Auf)（3-5）fbw

13、=fp2-fp1=|3- Auf|f0= QUOTE （3-6）根據(jù)課設要求：，中心頻率fO=1KHz,增益AV12,品質因數(shù)Q12.令 ，則根據(jù)（3-3）可知，由（3-4),(3-5)式可知，fbw=fp2-fp1=|3- Auf|f0=由以上計算可知電路的所有參數(shù)：圖3-2 無限增益多路反饋二階帶通電路該電路的傳輸函數(shù)：品質因數(shù)：通帶中心頻率:通帶中心處電壓放大倍數(shù)：令由上計算可知電路所有參數(shù)：3.3用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）220V電網(wǎng)電壓U1電源變壓器U2整流電路U3濾波電路Ui穩(wěn)壓電路Uo負載RL 圖3-3 穩(wěn)壓電源的組成框圖直流穩(wěn)壓電源原理

14、圖：圖3-4 直流穩(wěn)壓電源原理圖整流：將交流變?yōu)橹绷鞯倪^程。 a) b) c) d) e)圖3-5 整流與穩(wěn)壓過程波形圖濾波：將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。單相半波整流?S 等于1.57。二極管的正向電流等于負載電流平均值二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓 二極管最大整流平均電流IF和最高反向對于工作電壓UR均應留10%的余地，以保證二極管安全工作。集成穩(wěn)壓電路設計所需元器件：220V/16V電源變壓器1個、3300uF電解電容2個、220uF電解電容2個、0.47uF電解電容2個、0.1uF電解電容2個、IN4007二極管6個、LED發(fā)光二極管2個（二種不同的顏色），1

15、K電阻二個、三端穩(wěn)壓器正負輸出W7812和W7912各1個。四、總原理圖總原理圖方案一、壓控電壓源二階帶通濾波電路原理圖：圖4-1 壓控電壓源二階帶通濾波電路原理圖方案二、無限增益多路反饋二階帶通電路原理圖：圖4-2 無限增益多路反饋二階帶通濾波器電路原理圖用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）：圖4-3 橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路元件清單方案一元件清單:表4-1 壓控電壓源二階帶通濾波原件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注（單價）R1電阻1R2電阻1R3電阻1R4電阻1Rf電阻1C1電容470nF1C2電容470nF1AUA741集成運放1方案二元件清單：表4

16、-2 無限增益多路反饋二階帶通濾波原件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注（單價）R1電阻1R2電阻1R3電阻1C1電容100nF1C2電容100nF1AUA741集成運放1集成穩(wěn)壓電路元件清單：表4-3 集成穩(wěn)壓電路元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注（單價）R電阻1k2 LED發(fā)光二極管2兩種不同顏色T1電源變壓器220V/16V1C1電解電容470nF2 C2電解電容100nF2C3電解電容3300uF2C4電解電容220uF2DIN4007二極管6U1LM7812CT+12V1三端穩(wěn)壓器U2LM7912CT-12V1三端穩(wěn)壓器性能測試與分析5.1直流穩(wěn)壓電源性能測試與分析：圖5-1 橋式整

17、流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路波形圖圖5-2 萬用表測的輸出的正負電壓圖5-3 雙蹤示波器測電壓的輸出波形圖數(shù)據(jù)處理：測量值輸出電壓誤差計算：輸出正電壓的相對誤差；輸出負電壓的相對誤差誤差分析：實驗測量值與理論存在微小誤差，可能是實驗原理計算過程中的計算誤差或輸入交流電源的微小變化所帶來的誤差當輸入交流電源頻率為fo=1000Hz時，用雙蹤示波器觀察輸入和輸出波形如下所示，其中A、B分別為輸入和輸出波形：圖5-4 輸入fo=1000Hz輸入和輸出波形圖5-5 輸入fo=1000Hz輸入和輸出波形當輸入信號為中心頻率fo=1000Hz時，輸入與輸出如下所示：圖5-6輸入信號為中心頻率fo=1000Hz

18、時輸入與輸出數(shù)據(jù)處理：Uio=2mV，Uoo=4.001mV，Av=4.001/2=2.0005，Av（理論）=2.誤差計算：中心頻率處電壓增益相對誤差=（2.0005-2）/2*100%=0.025%。誤差分析:相對誤差為0.025%很小，可能是計算過程估算值帶來的誤差。當輸入信號頻率為下限截至頻率f1=616Hz時輸入與輸出如下所示：圖5-7 下限截至頻率f1=616Hz時輸入與輸出數(shù)據(jù)處理：Ui1=2mV，Uo1=2.828mV，Av1=2.828/2=1.414=0.707Av0，下限截至頻率理論值為f1=618Hz。誤差計算：下限截至頻率相對誤差=（618-616）/618*100%

19、=0.32%。誤差分析：誤差值較小應為計算過程帶來的誤差。當輸入信號頻率為上限截至頻率f2=1610Hz時，輸入與輸出如下所示：圖5-8 上限截至頻率f2=1610Hz時輸入與輸出。誤差計算：上限截至頻率相對誤差=（1618-1610）/1618*100%=0.49%。誤差分析；可能是電路本身或計算過程帶來的微小誤差。當輸入信號為中心頻率fo=1000Hz時，輸入與輸出如下所示：圖5-9 中心頻率fo=1000Hz時輸入與輸出數(shù)據(jù)處理：Uio=1.414mV，Uoo=1.415mV，Avo=1.415/1.414=1.0007，Avo（理論）=1。誤差計算：中心頻率處電壓增益的相對誤差=（1.

20、0007-1）/1*100%=0.07%。誤差分析：此應為計算過程帶來的微小誤差。當輸入信號的頻率為下限截止頻率f1=617Hz時，輸入與輸出如下所示：圖5-10 下限截止頻率f1=617Hz時輸入與輸出數(shù)據(jù)處理：Ui1=1.414mV,Uo1= 0.999mV，Av1=0.999/1.414=0.707=0.707Avo，f1（理論)=618Hz。誤差計算：下限截至頻率相對誤差=(618-617)/618*100%=0.16%。誤差分析：可能是電路系統(tǒng)帶來的微小誤差。當輸入信號的頻率為上限截至頻率f2=1616Hz時，輸入與輸出如下所示：圖5-11 上限截至頻率f2=1616Hz時輸入與輸出數(shù)據(jù)處理：Ui2=1.414mV，Uo2=0.999mV，Av2=0.999/1.414=0.707=0.707Avo，f2（理論）=1618Hz。誤差計算;上限截至頻率相對誤差=（1618-1616）/1618*100%=0.12%。誤差分析：可能是電路元件帶來的微小誤差。結論此次模擬課程設計是對上學期模擬電路所學的理論知識進