通信電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

-.z-.z摘要濾波器是一種能夠?yàn)V除不需要頻率的分量、保存有頻率分量的電路。工程上常用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和一直干擾等方面。利用計(jì)算放大器和無(wú)源器件〔R、L、C〕構(gòu)成有源濾波器具有一定的電壓放大和輸出緩沖作用。按濾除頻率分量的*圍來(lái)分，有源濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。本文介紹介紹了有源濾波器的具體功能及特點(diǎn)，并利用Multisim11.0軟件完成有源濾波電路的設(shè)計(jì)及仿真。關(guān)鍵詞：有源濾波器濾波器頻率Multisim11.0AbstractFilteristofilteroutfrequencyponentsdonotneedandto:retainausefulfrequencyponentsofthecircuit.Projectsmonlyusedinsignalprocessing,datatransmissionandsuppressinginterferenceandsoon.Theactivefilterconstitutedbyusingoperationalamplifiersandpassiveponents(R,L,C)hascertaineffectofvoltageamplificationandoutputbuffer.Frequencyponentsbyfilteringtherangetopoints,activefiltercanbedividedintolow-passfilter,highpassfilter,bandpassandbandstopfilter.Thisarticledescribesthespecificfunctionsandcharacteristicsofactivefilter,andusesMultisim7softwaretopletethedesignofactivefiltercircuit.Keywords:ActiveFilterFrequencyMultisim11.0目錄第1章緒論11.1課題背景11.2設(shè)計(jì)任務(wù)11.3設(shè)計(jì)要求1第2章設(shè)計(jì)方案22.1方案框圖22.2子框圖的作用22.3方案選擇2第3章設(shè)計(jì)原理與電路53.1試驗(yàn)原理53.1.1原理圖設(shè)計(jì)63.1.2濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)83.2工作原理10第4章電路的組裝與調(diào)試114.1Multisim電路圖114.2Multisim仿真分析13第5章設(shè)計(jì)總結(jié)17附錄18Protel原理圖18PCB圖19參考文獻(xiàn)20-.z第1章緒論1.1課題背景有源濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及對(duì)變化的無(wú)功進(jìn)展補(bǔ)償。顧名思義該裝置需要提供電源，其應(yīng)用可克制LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)〔傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償〕，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功。有源濾波器的通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小,利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件〕；但是通頻帶*圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器〕的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)1、學(xué)習(xí)二階有源濾波器的設(shè)計(jì)方法；2、設(shè)計(jì)二階有源濾波器〔低通、高通、帶通、帶阻〕；3、掌握有源濾波器的測(cè)試方法；4、測(cè)量有源濾波器的幅頻特性。1.3設(shè)計(jì)要求1、分別設(shè)計(jì)二階有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器電路，擬定測(cè)試方案和步驟；2、在Multisim11.0里仿真電路；3、繪制PCB圖。第2章設(shè)計(jì)方案2.1方案框圖RC網(wǎng)絡(luò)RC網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)放大器圖2.1RC有源濾波總框圖2.2子框圖的作用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RVF=1+R4/R3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.反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出信號(hào)的一局部或全部通過(guò)牧電路印象輸入端，稱為反應(yīng)，其中的電路稱為反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反應(yīng)。2.3方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〔通內(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，為此人們采用各種函數(shù)來(lái)逼近理想濾波器的頻率特性。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積和重量過(guò)大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率*圍約為10-3Hz~106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到〔10-3~10~10-5〕/攝氏度，頻率精度為+〔3~5〕%，并可用簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)來(lái)得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。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。濾波器等的技術(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。關(guān)于濾波器類型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)反應(yīng)型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比擬敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好級(jí)數(shù)選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)確定。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dB每倍頻程〔或dB每十倍頻程〕時(shí)，則取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。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。為了滿足足夠深的反應(yīng)以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增應(yīng)在80dB以上。對(duì)運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定。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，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過(guò)100kΩ，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。元器件的選擇一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc(ωc)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)元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定*些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率*圍按照表初選電容值。表濾波器工作頻率與濾波電容取值的對(duì)應(yīng)關(guān)系f(1~10)Hz〔10~102〕Hz〔102~103〕Hz〔1~10〕KHz〔10~103〕KHz〔102~103〕KHzC(20~10)F〔10~0.1〕uF〔0.1~0.01〕uF〔104~103〕pF〔103~102〕pF〔102~10〕pF第3章設(shè)計(jì)原理與電路3.1試驗(yàn)原理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階RC有濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率*圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率*圍以外的信號(hào)?？捎迷谛畔⑻幚?、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，這類濾波器主要用于低頻*圍。根據(jù)對(duì)頻率*圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)等四種濾波器，它們的幅頻特性如圖9－1所示。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際的幅頻特性去逼近理想的。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。下列圖為四種濾波電路的幅頻特性示意圖：〔a〕低通〔b〕高通〔c〕帶通〔d〕帶阻圖3.1四種濾波電路的幅頻特性示意圖原理圖設(shè)計(jì)1.低通濾波器低通濾波器是用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。如圖.1〔a〕所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)電容C接至輸出端，引入適量的正反應(yīng)，以改善幅頻特性。圖.1〔b〕為二階低通濾波器幅頻特性曲線。(a)電路圖(b)頻率特性圖.1二階低通濾波器2.高通濾波器高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。將圖.1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(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〔b〕為二階高通濾波器幅頻特性曲線。(a)電路圖(b)幅頻特性圖.2二階高通濾波器3.帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許在*一個(gè)通頻帶*圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)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(jí)改成高通而成。如圖.3〔a〕所示。本電路的優(yōu)點(diǎn)是改變Rf和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。圖.3〔b〕為二階高通濾波器的幅頻特性曲線?！瞐〕電路圖(b)幅頻特性圖.3二階帶通濾波器4.帶阻濾波器帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(guò)〔或受到很大衰減或抑制〕，而在其余頻率*圍，信號(hào)則能順利通過(guò)。典型的帶通濾波器可以在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級(jí)同相比例運(yùn)算電路構(gòu)成。如圖.4〔a〕所示。圖.4〔b〕為二階帶阻濾波器的幅頻特性曲線。(a)電路圖(b)頻率特性圖.4二階帶阻濾波器濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率*圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率*圍以外的信號(hào)，因受運(yùn)算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻*圍，根據(jù)頻率*圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，它們的幅頻特性如下列圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動(dòng)時(shí)，用巴特沃斯響應(yīng)較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，切比雪夫響應(yīng)較好。1.濾波器的傳輸函數(shù)表.1二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)低通——電壓增益——低、高通濾波器的截止角頻率——帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率BW——帶通、帶阻濾波器的帶寬高通帶通帶阻2.單元電路性能參數(shù)〔1〕低通濾波器二階低通濾波器的通帶增益品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀?！?〕高通濾波器二階高通濾波器的通帶增益品質(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。〔3〕帶通濾波器通帶增益中心頻率通帶寬度選擇性〔4〕帶阻濾波器通帶增益中心頻率帶阻寬度0選擇性3.2工作原理濾波電路是一種能使有用頻率通過(guò)，同時(shí)抑制無(wú)用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運(yùn)算放大器、電容和電阻可構(gòu)成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負(fù)載能力。由于受到集成運(yùn)算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場(chǎng)合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號(hào)能通過(guò)而高頻信號(hào)不能夠通過(guò)的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指*一段的信號(hào)能通過(guò)而該頻段之外的信號(hào)不能通過(guò)的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(guò)〔或受到很大衰減或抑制〕，而在其余頻率*圍，信號(hào)則能順利通過(guò)。第4章電路的組裝與調(diào)試Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器〔NI〕**推出的以Windows為根底的仿真工具，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)?；旌想娐泛途植繌?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)〞課程中所有根本電路進(jìn)展虛擬實(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)展實(shí)際無(wú)法或不便進(jìn)展的試驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)儲(chǔ)存和打印等方法可準(zhǔn)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。應(yīng)用Multisim，便于實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊練的教學(xué)模式，使“電子技術(shù)〞課程的學(xué)習(xí)變得更有趣而容易。4.1Multisim電路圖1.二階低通濾波器圖二階低通濾波電路2．二階高通濾波器圖二階高通濾波電路3.二階帶通濾波器圖二階帶通濾波電路4.二階帶阻濾波器圖二階帶阻濾波電路4.2Multisim仿真分析分析結(jié)果圖1.二階低通濾波器電路圖〔a〕二階低通濾波器電路仿真顯示波形所加輸入信號(hào)的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下圖，其最最大電壓約為998mv，故輸出電壓的有效電壓值U0=0.998×0.707=0.705586v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=14.1。圖〔b〕二階低通濾波器電路仿真顯示幅度分析上圖知電路的截止頻率在336Hz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設(shè)置存在偏差及兼顧通帶內(nèi)阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的*圍內(nèi)。2.二階高通濾波器電路圖〔a〕二階高通濾波器電路仿真顯示波形所加輸入信號(hào)的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下圖，其最最大電壓約為1.116v，故輸出電壓的有效電壓值U0=1.116×0.707=0.789012v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=15。圖〔b〕二階高通濾波器電路仿真顯示幅度分析上圖知電路的截止頻率在1.513kHz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設(shè)置存在偏差及兼顧通帶內(nèi)阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的*圍內(nèi)。二階帶通濾波器電路圖〔a〕二階帶通濾波器電路顯示波形所加輸入信號(hào)的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下圖，其最最大電壓約為6.238v，故輸出電壓的有效電壓值U0=6.238×0.707=4.410266v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=80。圖〔b〕二階帶通濾波器電路顯示幅度分析上圖知電路的截止頻率在1.042kHz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設(shè)置存在偏差及兼顧通帶內(nèi)阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的*圍內(nèi)。4.二階帶阻濾波器電路圖〔a〕二階帶阻濾波器電路顯示波形所加輸入信號(hào)的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下圖，其最最大電壓約為601.455mv，故輸出電壓的有效電壓值U0=601.455×0.707=0.425012v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=8.5。圖〔b〕二階帶阻濾波器電路顯示幅度分析上圖知電路的截止頻率在18.267MHz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設(shè)置存在偏差及兼顧通帶內(nèi)阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的*圍內(nèi)。第5章設(shè)計(jì)總結(jié)本次信號(hào)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)二階有源濾波器,通過(guò)理論推導(dǎo)、電路設(shè)計(jì)和電路仿真有效的結(jié)合起來(lái)，成功地運(yùn)用運(yùn)放、電阻和電容組成有源低通濾波器，高通濾波器，和帶通，帶阻濾波器并用Multisim11.0進(jìn)展仿真。通過(guò)仿真可證實(shí)二階有源濾波器更能夠有效地濾除不需要頻率的分量、保存有頻率分量的電路；具有一定的電壓放大和輸出緩沖作用。本次信號(hào)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)由于是個(gè)人獨(dú)立選定課題，所以在此過(guò)程的開(kāi)場(chǎng)時(shí)根本上都是在自己獨(dú)立思考，同時(shí)又由于涉及所采用的仿真和設(shè)計(jì)軟件Multisim不是很熟悉，因此前一段時(shí)間多事在摸索中