模電課程設(shè)計-有源帶通濾波器

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)-8-有源帶通濾波器的設(shè)計與測試1濾波器的簡介在電子電路中，輸入信號的頻率有很多，其中有些頻率是需要的工作信號，有些頻率是不需要的干擾信號。如果這兩個信號在頻率上有較大的差別，就可以用濾波的方法將所需要的信號濾出。濾波電路的作用是允許模擬輸入信號中某一部分頻率的信號通過，而阻斷另一部分頻率的信號通過。1.1濾波器的發(fā)展歷程凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致了RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(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，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。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大應(yīng)用范圍。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)品的開發(fā)和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。1.2濾波器的分類實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓大家了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。（1）按處理信號類型分類可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分類。當然，每個分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個樹形結(jié)構(gòu)。（2）按選擇物理量分類濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。（3）按頻率通帶范圍濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別。1.3有源濾波器的介紹有源濾波器由下列一些有源元件組成：運算放大器、負電阻、負電容、負電感、頻率變阻器（FDNR）、廣義阻抗變換器（GIC）、負阻抗變換器（NIC）、正阻抗變換器（PIC）、負阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四種受控源，另外，還有病態(tài)元件極子和零子。1965年單片集成運算放大器問世后，為有源濾波器開辟了廣闊的前景。70年代初期，有源濾波器發(fā)展引人注目，1978年單片RC有源濾波器問世，為濾波器集成邁進了可喜的一步。由于運放的增益和相移均為頻率的函數(shù)，這就限制了RC有源濾波器的頻率范圍，一般工作頻率為20kHz左右，經(jīng)過補償后，工作頻率也限制在100kHz以內(nèi)。1974年產(chǎn)生了更高頻的RC有源濾波器，使工作頻率可達GB/4（GB為運放增益與帶寬之積）。由于R的存在，給集成工藝造成困難，于是又出現(xiàn)了有源C濾波器：就是濾波器由C和運放組成。這樣容易集成，更重要的是提高了濾波器的精度，因為有源C濾波器的性能只取決于電容之比，與電容絕對值無關(guān)。但它有一個主要問題：由于各支路元件均為電容，所以運放沒有直流反饋通道，使穩(wěn)定性成為難題。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用連續(xù)的開關(guān)電阻（SR）去替代有源RC濾波器中的電阻R，就構(gòu)成了SRC濾波器，它仍屬于模擬濾波器。但由于采用預(yù)置電路和復(fù)雜的相位時鐘，使這種濾波器發(fā)展前途不大?？傊?，由RC有源濾波器為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器，體積小，Q值可達1000，克服了RLC無源濾波器體積大，Q值小的缺點。但它仍有許多課題有待進一步研究：理想運放與實際特性的偏差的研究；由于有源濾波器混合集成工藝的不斷改進，單片集成有待進一步研究；應(yīng)用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續(xù)探索；元件的絕對值容差的存在，影響濾波器精度和性能等問題仍未解決；由于R存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（20%～30%），線性度差等缺點，使大規(guī)模集成仍然有困難。盡管有這么多問題，RC有源濾波器的理論和應(yīng)用仍在持續(xù)發(fā)展中。2有源帶通濾波器的設(shè)計帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(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。二階壓控型有源帶通濾波器是由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，從而實現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。2.1有源帶通濾波器的工作原理帶通濾波器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。注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。典型的帶通濾波器可以由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，從而實現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖如圖2.1所示。圖2.1二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖有源帶通濾波器的具體電路如圖2.2所示。由此電路可知，電阻R1與C組成低通濾波器，后面一個電容C與電阻R2組成高通濾波器，二者串聯(lián)在一起組成帶通濾波器。除此之外，R4與Rf組成同相比例運算電路，R3則是為改善電路性能而引入的反饋。圖2.2有源帶通濾波器電路圖圖2.3幅頻特性曲線帶通濾波器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。其有較好的幅頻特性，幅頻特性曲線如圖2.3所示。2.2有源帶通濾波器的參數(shù)計算電路性能參數(shù):Auf==1+當C1=C2=C,R1=R3=R,R2=2R時，電路的傳遞函數(shù):Au(s)=Auf(s)……（1.1）設(shè)中心頻率f0=,電壓放大倍數(shù)Au=QUOTE…（1.2）當f=f0時，得出通帶放大倍數(shù)Aup==QAuf……………（1.3）使式（1.2）分母的模為，即使式（1.2）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=(3-Auf)]……（1.4）fp2=+(3-Auf)]……（1.5）通頻帶為：fbw=fp2-fp1=|3-Auf|f0=根據(jù)課設(shè)要求：中心頻率為f0=1000Hz，通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707.根據(jù)式（1.3）計算出Auf=2.83，可以將其近似為Auf=3.再根據(jù)式（1.4）和（1.5）可以設(shè)通帶范圍為50Hz-20KHz。根據(jù)中心頻率選擇0.01uF的電容，Rf=2R4，取R4=1.5kΩ則解得：R1=300ΩR2=4.5kΩR3=3kΩR4=1.5kΩR5=3kΩC1=C2=0.01uF在仿真的基礎(chǔ)上，對參數(shù)進行微調(diào)得：R1=280ΩR2=4.5kΩR3=3.3kΩR4=1.5kΩR5=3.2kΩC1=0.01uFC2=0.012uF3二階有源帶通濾波器仿真測試本次課設(shè)的電路仿真基于仿真軟件multisim11.0。3.1二階有源帶通濾波器仿真電路圖3.1基于multisim11.0的有源帶通濾波器的仿真電路3.2仿真記錄結(jié)果圖3.2下限截止頻率的波特圖如圖3.2所示，當輸入頻率為49.452HZ時，電壓放大倍數(shù)為-3.011dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“下限截止頻率為50HZ”的要求。圖3.3上線截止頻率的波特圖如圖3.3所示，當輸入頻率為20.171KHZ時，電壓放大倍數(shù)為-3.001dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“上限截止頻率為20KHZ”的要求。圖3.4中心頻率的波特圖如圖3.4所示，當輸入頻率為1.011KHZ時，電壓放大倍數(shù)為-2.5dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“帶內(nèi)電壓變化小于0.5dB”的要求。4誤差分析任何實驗過程都難免存在誤差，在課設(shè)過程中，我們要做的是盡量控制理論誤差，使理論設(shè)計誤差不能影響實驗結(jié)果。在制作調(diào)試過程中，我們要控制實驗誤差，不能使誤差過大而影響實驗結(jié)果。4.1元器件誤差由于計算得出的元器件參數(shù)比較理想化，而實際中用的原件很難匹配所有的參數(shù)，如濾波器中的R1，取值為280Ω，現(xiàn)實中無法買到阻值為280Ω的電阻，只能通過電阻的串并聯(lián)去盡可能的接近它。而電阻一般有5%的誤差，本身無法達到精確匹配。至于電容，誤差更大，遠不止5%（電容的誤差在20%內(nèi)便為合格）。4.2儀器誤差所有測量儀器都有一定誤差，例如函數(shù)發(fā)生器有50Ω的內(nèi)阻，示波器的本身誤差示數(shù)誤差以及波形的抖動造成的誤差。5實驗總結(jié)與課設(shè)心得這次課程設(shè)計中不僅驗證了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程．“千里之行始于足下”，我今天認真的進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。模擬電子技術(shù)課程設(shè)計，這是我大學(xué)的又一個課程設(shè)計，對于我個人來說，意義重大。在這次課程設(shè)計中，通過查找相關(guān)書籍和相關(guān)資料，我增長了不少相關(guān)知識。閱讀相關(guān)書籍后，確定各種電路的模型。通過大量的演算，得出各類元件的參數(shù)，驗算求證。運用Multisim11.0仿真軟件，繪制相應(yīng)的電路圖，對計算出的參數(shù)進行驗證。反復(fù)推導(dǎo)，使參數(shù)更加符合要求。對Multisim11.0在本專業(yè)的應(yīng)用有了新的認識，可以在以后的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)和專業(yè)課程上用它來解決很多問題，更好的掌握Multisim11.0的使用方法和技巧，對以后的學(xué)習(xí)生活有很大的幫助。而對濾波器電路的理論分析，讓我對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的相關(guān)知識進行了復(fù)習(xí)，更深一個層次的掌握運放的相關(guān)概念和使用技巧，懂得運用運放解決實際的問題，感受到運放是模擬電子的基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計，我加強了自己掌握和理解書本知識的能力，培養(yǎng)了自己的實際動