廣工測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)有源濾波器精要

1、測(cè)控電路課 程 設(shè) 計(jì) 題目名稱有源濾波器設(shè)計(jì)學(xué) 院信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)計(jì)算機(jī)測(cè)控方向13（ 1 ）班姓 名黎均學(xué) 號(hào)3113002300目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408566596 摘要2一、設(shè)計(jì)任務(wù)3 HYPERLINK l _Toc408566597 一、設(shè)計(jì)原理分析 PAGEREF _Toc408566597 h 3 HYPERLINK l _Toc408566598 1、正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析。 PAGEREF _Toc408566598 h 3 HYPERLINK l _Toc408566599 2、計(jì)

2、算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)6 HYPERLINK l _Toc408566600 3、利用matlab繪制濾波器幅頻曲線和相頻曲線。8 HYPERLINK l _Toc408566601 二、電路仿真9三、改進(jìn)后的實(shí)際電路圖12 HYPERLINK l _Toc408566602 四、產(chǎn)品實(shí)物圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果14 HYPERLINK l _Toc408566603 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析15 HYPERLINK l _Toc408566604 六、心得體會(huì)16 HYPERLINK l _Toc408566605 七、參考文獻(xiàn)17 HYPERLINK l _Toc408566606 八、附錄17

3、摘要在主要學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、測(cè)控電路與信號(hào)分析與調(diào)節(jié)的專業(yè)基礎(chǔ)上，針對(duì)測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)正弦波波形產(chǎn)生電路和有源濾波器，帶通濾波器，是有選擇性傳輸特定頻率范圍內(nèi)信號(hào)的電路稱為濾波器，其功能是：允許規(guī)定頻率范圍內(nèi)的有用信號(hào)通過，不允許規(guī)定之外的干擾信號(hào)通過其中主要包括兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)，為一個(gè)1500Hz正弦波產(chǎn)生電路與一個(gè)壓控電壓源二階帶通濾波器，其中壓控電壓源二階帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為：通帶中心頻率Hz；通帶電壓放大倍數(shù)；通帶帶寬=100Hz的帶通濾波器，選擇有源壓控電壓源二階濾波器快速設(shè)計(jì)法為設(shè)計(jì)方案，并通過有關(guān)電路知識(shí)計(jì)算出該方案所需要的電阻、電容、運(yùn)算放大器參數(shù)，然后通過pro

4、teus軟件仿真并焊制電路板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所選的電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證方案的正確性，最后將實(shí)際設(shè)計(jì)制作出的濾波器與仿真得到的模擬濾波器進(jìn)行波形比較、分析誤差產(chǎn)生的原因。關(guān)鍵字： 有源壓控電壓源 帶通濾波器 文氏正弦震蕩電路 proteus仿真 設(shè)計(jì)任務(wù)一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1、（1）正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析； （2）分析正弦波產(chǎn)生電路中w2的作用；（3）計(jì)算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)；2、電路仿真根據(jù)有緣濾波器電路工作原理，選用相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)電路的仿真，并畫出電路各點(diǎn)的信號(hào)波形，觀測(cè)有源濾波器隨著輸入信號(hào)頻率的變化，有緣濾波器輸出信號(hào)的變化。 3、使用proteus繪制電路

5、原理圖，布局pcb板，使用電烙鐵制作電路板，根據(jù)系統(tǒng)原理圖及所選擇的元件及參數(shù)，購買相應(yīng)元器件，完成電路板焊接、調(diào)試。二、課程設(shè)計(jì)的要求及數(shù)據(jù)1、完成二階帶通濾波器電路的分析與制作2、討論與分析，制作與調(diào)試，演示與答辯，提交設(shè)計(jì)報(bào)告三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作 1、電路原理圖設(shè)計(jì)； 2、電路工作原理設(shè)計(jì)； 3、電路參數(shù)計(jì)算與分析； 4、電路原理仿真； 5、電路制作、調(diào)試； 6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告； 7、實(shí)物演示與答辯。 二、設(shè)計(jì)原理分析1、正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析 文氏橋正弦波振蕩電路能產(chǎn)生振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍寬、波形好的正弦波，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)。文氏橋正弦波振蕩由文氏電橋與一個(gè)集成運(yùn)放l

6、m384組成的同相放大電路組成，如圖1所示。文氏電橋的兩個(gè)臂RC串一并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，另外兩個(gè)臂由放大電路的反饋電阻構(gòu)成。令R1=R2=R，C1=C2=C，R3+R4=Rf，根據(jù)文氏橋正弦波振蕩電路的振蕩條件，可以推出放大電路的電壓增益Av=1+RfR53，即Rf2R5文氏橋正弦波振蕩電路的理論振蕩頻率為f0=1(2RC)。由于電源電壓的波動(dòng)、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，使正弦波的輸出幅度不穩(wěn)定。這里采用二極管來穩(wěn)幅和加速起振。圖1 文氏電橋正弦產(chǎn)生電路原理圖RC有源帶通濾波器的的工作原理 RC有源濾波總框圖RC網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器原理子框的作用1.RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著

7、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RVF=1+R5/R4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)。將輸出信號(hào)的一部分或全部通過反饋電路影響輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。 帶通濾波器 一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有放大或者衰減，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(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成實(shí)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

8、在所要的通帶外還有一個(gè)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 HYPERLINK :/baike.baidu /view/25647.htm t :/baike.baidu /_blank 倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)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(jì)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(yīng)稱為 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1342846.htm t :/baike.baidu /_blank 吉布斯現(xiàn)象。在頻帶較低的 H

9、YPERLINK :/baike.baidu /view/3007903.htm t :/baike.baidu /_blank 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3、計(jì)算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)(a)相關(guān)公式壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖2所示，電路的傳輸函數(shù)為： 上式中： 是帶通濾波器的中心角頻率。、分別為帶通濾波器的高、低截止角頻率。 中心角頻率： ， 中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：上式中： 通帶帶寬： 或 ; （b）參數(shù)計(jì)算有， 取R4和R5為47k，C1=C2=10nF,則=2。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Q=15，=

10、2，=1500hz。代入計(jì)算公式得出R1=159K，R2=7.5K,R3=15K。（c）元器件的指標(biāo)本次實(shí)驗(yàn)使用的是LM358芯片LM358雙運(yùn)放簡(jiǎn)介L(zhǎng)M358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合，應(yīng)用很廣。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。LM358主要特性如下：1、內(nèi)部頻率補(bǔ)償直流電壓增益高(約100dB)3、單位增益頻帶寬(約1MHz)4、電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?/p>

11、(330V)；雙電源(1.5一15V)5、低功耗電流，適合于電池供電6、低輸入偏流7、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流8、共模輸入電壓范圍寬，包括接地9、差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍10、輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)3、利用matlab繪制濾波器幅頻曲線和相頻曲線。根據(jù)matlab繪制的濾波器幅頻曲線和相頻曲線如圖3所示。圖3 濾波器系統(tǒng)幅頻和相頻曲線電路仿真 = 1 * alphabetic * MERGEFORMAT a.我們此次設(shè)計(jì)采用proteus仿真軟件對(duì)電路功能進(jìn)行仿真。仿真原理圖如下圖4所示。圖4 proteus仿真原理圖正弦震蕩電路仿真中心頻率出濾波器波形截止頻率處濾

12、波器波形 = 2 * alphabetic * MERGEFORMAT b.在確定好了電路、計(jì)算出元器件，仿真正確之后，首先對(duì)電路進(jìn)行整體布局，電路焊接步驟大致如下：1.需要進(jìn)行整體布局的構(gòu)思，使元器件分布合理、整體美觀；2.遵循先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等原則；3.布線盡量使電源線和地線靠近實(shí)驗(yàn)電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；4.最好分模塊安裝。此外焊接時(shí)不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因?yàn)橛行┢骷?，不能耐高溫，電烙鐵不能停留太久。焊接好實(shí)驗(yàn)電路后，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試。仔細(xì)檢查安裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，然后接通電源調(diào)試。然后在電路的輸入端加入正弦信號(hào)，慢慢

13、改變輸入信號(hào)的頻率（注意保持輸入信號(hào)的值不變） 若沒有濾波特性，應(yīng)檢查電路，根據(jù)產(chǎn)生的問題，加上對(duì)原理圖的分析，首先找到可能出錯(cuò)的地方，前期調(diào)試實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，波形不穩(wěn)定，則可能是由于芯片接的電源，因?yàn)槠浞凳菑慕刂诡l率起始的，波動(dòng)非常大，加入足夠容量的電容進(jìn)行濾波后，因電容的充放電效應(yīng)，該脈動(dòng)直流就會(huì)變成紋波不大的直流電。還有可能因?yàn)槭静ㄆ骰蚝瘮?shù)信號(hào)發(fā)生器本身的原因，此時(shí)可以用排除法，這樣調(diào)試的時(shí)候可以分塊檢查，排除到最后就是錯(cuò)誤所在。 若電路具有濾波特性，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試。對(duì)于低通和高通濾波器應(yīng)觀測(cè)其截止頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)有關(guān)的公式，確定應(yīng)調(diào)整哪一個(gè)元器件才能使

14、截止頻率既能達(dá)到設(shè)計(jì)要求又不會(huì)對(duì)其它的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響。此外，還需要多次上電調(diào)試，調(diào)試時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，檢查是否有不穩(wěn)定的情況發(fā)生。在調(diào)試過程中尤其要注意電路中的虛焊，如果電路不穩(wěn)定，很有可能是虛焊引起的。三、改進(jìn)后的實(shí)際電路圖 1、正弦波振蕩電路我們按照上面的電路圖經(jīng)過第一次嘗試焊接并測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，出來的正弦波頻率在1200-1250赫茲，分析出的誤差可能由r1、r2的電阻精度導(dǎo)致，故選用一個(gè)可滑動(dòng)的變阻Rv2（20k）代替原來的r2，調(diào)節(jié)r2使正弦波頻率穩(wěn)定在1500赫茲。2、改進(jìn)后的帶通濾波器電路 也是經(jīng)過了按照仿真電路焊接的第一次失敗的嘗試，發(fā)現(xiàn)濾波的幅值與輸入波的幅值之比為1.5左右，通過

15、分析得出r9、r10的精度有差別，后在r9、r10之間加入了一個(gè)可滑動(dòng)的變阻Rv1（20k）。四、產(chǎn)品實(shí)物圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7 作品實(shí)物圖圖9 濾波器效果圖四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 = 1 * ROMAN * MERGEFORMAT I.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，正弦波振蕩電路產(chǎn)生的正弦波頻率大概為1428hz，與實(shí)際要求的1500hz相差72hz，相對(duì)誤差為4.8%。帶通濾波器電路的中心頻率為1388hz，接近要求的1500hz，而中心頻率的增益也大約為2，符合要求。 = 2 * ROMAN * MERGEFORMAT II.濾波器的中心頻率HZ時(shí)，增益可以達(dá)到2倍，上截止頻率=1417hz下截止頻率

16、=1363hz通帶=54hzQ實(shí)際=25但是通帶達(dá)到54左右，與實(shí)際要求偏差較大，即品質(zhì)因數(shù)Q實(shí)際=25與2、誤差分析 = 1 * roman * MERGEFORMAT i.由于正弦波震蕩電路的用于調(diào)節(jié)頻率的滑變電阻調(diào)節(jié)精度較低，因此難以調(diào)節(jié)到準(zhǔn)確的頻率。 = 2 * roman * MERGEFORMAT ii.針對(duì)濾波器上下截至頻率誤差較大，主要因素是三個(gè)電阻值在不能達(dá)到理論值，電阻值存在誤差，改變?cè)鲆娴腞4，R5的阻值沒達(dá)到完全相等，電路中的電容也會(huì)改變 五、心得體會(huì)這次的課程設(shè)計(jì)的意義在于將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐上，發(fā)現(xiàn)理論跟實(shí)踐的區(qū)別。我們?cè)谶@次課設(shè)中遇到了很多問題，雖然早早就焊好了電

17、路板，但是在測(cè)試的過程中卻一直得不到理想的波形，檢查了很多遍，從一開始的迷茫到檢查出電路電源飛線接錯(cuò)的開心到依舊得不到理想波形，期間燒壞掉運(yùn)放，節(jié)點(diǎn)要接的沒接上，這些都改好了但是卻依然不行，調(diào)試了很多遍依然不行只能進(jìn)行第二次的電路焊接，有第一次的焊接經(jīng)驗(yàn)跟錯(cuò)誤總結(jié)第二次的焊接很順利的進(jìn)行也進(jìn)行了改良，但等到濾波器調(diào)試波形時(shí)卻出現(xiàn)了第一次的問題調(diào)不出理想波形，檢查了電路連接運(yùn)放連接及每個(gè)焊接點(diǎn)最后發(fā)現(xiàn)是運(yùn)放少了一個(gè)短腳，換了以后終于可以了有波形出來了，在經(jīng)過反復(fù)的調(diào)電阻協(xié)調(diào)終于得到理想波形，但是卻又有誤差一直無法避免，元件性能對(duì)電路影響非常大特別是精密儀器，稍有偏差，結(jié)果就差別很大，耐心真的很重要，經(jīng)歷從一只不知道什么問題到發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題解決問題是真的很開心但又還是不行的失落心煩，焊接電路時(shí)的細(xì)心能避免很多問題調(diào)試的每一步都會(huì)影響到輸出波形，要一步一步發(fā)現(xiàn)問題解決問題，這次的課設(shè)很有意義，能對(duì)自己所學(xué)有一個(gè)了解也提高我們動(dòng)手能力，看著簡(jiǎn)單的電路板自己去悍就不會(huì)這么想了，團(tuán)隊(duì)的合作很重要，相互彌補(bǔ)不足共同發(fā)現(xiàn)問題解決問題一起進(jìn)步。六、參考文獻(xiàn)1張國雄等編.測(cè)控電路.機(jī)械工業(yè)出版社.2001.8.2趙負(fù)圖主