二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)

1、學(xué)生姓名馮澤宇專業(yè)15電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師姓名古衛(wèi)芳類別學(xué)號(hào)班級(jí)電本四班職稱副教授本校一、設(shè)計(jì)題目二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)： 分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋二種方法設(shè)計(jì)電路； 中心頻率fO=1KHz； 增益AV1-2； 品質(zhì)因數(shù)Q12 用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)電路所需的正負(fù)直流電源（12V）。 三、進(jìn)度安排第十五、十六周152017.5.29 6. 1日下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書： 明確課程設(shè)計(jì)的具體要求和應(yīng)完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)所需各個(gè)步驟有個(gè)總體把握。搜集、整理和研究資料：針對(duì)題目本身涉及內(nèi)容，通過書籍、文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)等手段查閱相關(guān)資料。在學(xué)習(xí)借鑒類似課題研究成果

2、同時(shí)，提出自己的設(shè)計(jì)思路和方法。2017.6.2擬定設(shè)計(jì)方案：進(jìn)行方案的論證及選擇。162017.6.56.6日電路原理圖繪制、計(jì)算并初步確定電路參數(shù)。2017.6.76.8日用電路仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電路仿真測(cè)試。2017.6.9日課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。并進(jìn)行設(shè)計(jì)的答辯，給出課程設(shè)計(jì)成績模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書目錄內(nèi)容提要3正文及電路設(shè)計(jì)第一章 制作一個(gè)1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路31.1 RC橋式振蕩電路31.2振蕩電路的傳遞函數(shù)41.3振蕩電路分析4第二章 壓控電壓源二階帶通濾波器62.1 壓控帶通慮波器的傳遞函數(shù)6 2.2 設(shè)計(jì)步驟及元器件選擇8第三章 模擬仿真與元器件準(zhǔn)備93.1 M

3、ultisim仿真93.2 元器件列表13第四章 制版與調(diào)試134.1制板134.2 調(diào)試15原理概述16參考文獻(xiàn)18二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)內(nèi)容提要：帶通濾波器是指能夠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減到極低水平的濾波器。本文重點(diǎn)介紹了帶通濾波器工作原理以及設(shè)計(jì)方法。介紹了高低通濾波器的工作原理。設(shè)計(jì)了一個(gè)由高通濾波電路和低通濾波電路級(jí)聯(lián)而組成的帶通濾波，給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法以及主要模塊的原理分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該濾波器具良好的濾波效果以及運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：帶通濾波器 參數(shù)設(shè)計(jì) 穩(wěn)定可靠正文及電路設(shè)計(jì)：第一章、制作一個(gè)1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路：圖1.1 正

4、弦波產(chǎn)生電路1.1 RC橋式振蕩電路RC橋式振蕩電路如圖（1.1）所示。這個(gè)電路由兩部分組成，即放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)。其中，R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、及R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋中的R3、剛好組成一個(gè)四臂電橋，電橋的對(duì)角線頂點(diǎn)接到放大器A1的兩個(gè)輸入端，橋式振蕩電路的名稱即由此得來。分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，根椐正弦波振蕩電路的振幅平衡條件，選擇合適的放大指標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)完整的振蕩電路。1.2 振蕩電路的傳

5、遞函數(shù)由圖（1.1）有 ，其中，、分別為圖1.1中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻值。得到輸入與輸出的傳遞函數(shù)：(s)= （1.1）由式（1.1）得 取16k,0.01F，則有1.3 振蕩電路分析就實(shí)際的頻率而言，可用替換，在時(shí)，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放同相端的電壓與同相，這樣，放大電路和由Z1和Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件。 （1.2）令,且，則式（1.2）變?yōu)?（1.3）由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng) （1.4）相頻響應(yīng) （1.5）由此可知，當(dāng)，或時(shí)，幅頻響應(yīng)的幅度為最大，即 而相頻響應(yīng)的相位角為零，即 這說明，當(dāng)時(shí)，輸出的電壓的幅度最大（當(dāng)輸入電壓的幅度一定，而頻

6、率可調(diào)時(shí)），并且輸出電壓時(shí)輸入電壓的1/3，同時(shí)輸出電壓與輸入電壓同相。 由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括有這樣一些頻率成分。這種微弱的信號(hào)，經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中的非線性元件的限制，使振蕩幅度自動(dòng)地穩(wěn)定下來，開始時(shí)，放大電路的放大倍數(shù)Av1=1+；為可變阻值的上部分值，為下部分值，當(dāng)Av1略大于3時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過調(diào)節(jié)才能輸出穩(wěn)定的正弦波。適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱，使Av1的值在起振時(shí)略大于3，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)Av1=3，其輸出波形為正弦波，失真很小。如果Av1的值遠(yuǎn)大于3，則會(huì)因振幅的增長，致使放大器件工作在非線性區(qū)域，波形將產(chǎn)

7、生嚴(yán)重的非線性失真。二極管對(duì)A1的輸出電壓進(jìn)行限幅再進(jìn)入比例放大環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，W2便可以改變A2的增益，從而改變輸出波形的幅值。為了讓輸出的波形穩(wěn)定，應(yīng)讓=解得 所以應(yīng)該調(diào)到39.8%左右，才產(chǎn)生的最理想的波形。由圖（1.1）可以得出放大器A2的增益 由于,所以 1.92.1由此可見，滑動(dòng)變阻器 的調(diào)節(jié)對(duì)放大器的增益影響不大。第二章、壓控電壓源二階帶通濾波器2.1 壓控帶通慮波器的傳遞函數(shù)壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖（2.1）所示，電路的傳輸函數(shù)為： （2.1） 式（2.1）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： （2.2） （2.3）中心角頻率處的

8、電壓放大倍數(shù)： （2.4）式（2.4）中，通帶帶寬： 或 （2.5） （2.6）圖2.1壓控帶通濾波電路設(shè)計(jì)一個(gè)壓控電壓源二階帶通濾波器，指標(biāo)要求為：通帶中心頻率；通帶電壓放大倍數(shù)；通帶帶寬。2.2 設(shè)計(jì)步驟及元器件選擇1）選取圖（2.1）壓控電壓源型二階帶通濾波電路；2）該電路的傳輸函數(shù)： （2.7）品質(zhì)因數(shù)： 通帶的中心角頻率： （2.8） 通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)： 取為使電路穩(wěn)定工作必須要求，取，即 由此可算出電阻取標(biāo)稱值 將、代入得將代入式（2.8）得到關(guān)于的二次方程：可解得 取標(biāo)稱值： ，至此，壓控電壓源二階帶通濾波器無源器件參數(shù)基本確定。第三章、模擬仿真與元器件準(zhǔn)備3.1

9、Multisim仿真根據(jù)所選元器件，利用NI公司的Multisim進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖：+圖3.1 文氏電橋正弦波產(chǎn)生電路注：綠色為正弦波發(fā)生電路輸出波形，紅色為經(jīng)過同相放大器放大后的波形，放大倍數(shù)大約為2倍圖3.2 文氏電橋輸出波形圖3.3 壓控電壓源二階帶通濾波器電路圖注：紅色為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出，作為濾波器的輸入，綠色為帶通濾波器的輸出波形，放大倍數(shù)為2倍。圖3.4 壓控電壓源二階帶通濾波器輸出波形圖3.5 電路輸出的波特圖波特圖儀仿真的波特圖，得到中心頻率為987.118Hz。圖3.6 a 上限截止頻率圖3.6 b 下限截止頻率由圖3.6a和圖3.6b得到模擬的兩個(gè)截止頻率分別是1

10、040Hz和940Hz。通過以上仿真得出結(jié)論：仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，所選元器件參數(shù)沒有錯(cuò)誤，可以進(jìn)行實(shí)際制作階段。3.2 元器件列表表3.7 設(shè)計(jì)所用元器件列表：定值電阻可變電阻器電容二極管放大器錫線其他10K316K2160K112K124K147K250K11K110nF41N41482OP073一圈測(cè)試板一個(gè)萬能表1個(gè)電烙鐵1個(gè)電路板1塊導(dǎo)線若干第四章、制板與調(diào)試4.1制板使用Altium Designer 繪制電路原理圖并生成PCB文件，利用熱轉(zhuǎn)印制作電路板，Altium Designer原理圖如圖3.8和PCB圖如圖3.9所示。 圖3.8 電路原理圖圖3.9 PCB布線圖為了方便

11、后期調(diào)試，將三個(gè)運(yùn)放通過跳線帽jump_1/2和jump_2/3獨(dú)立開，并在每個(gè)運(yùn)放輸出引出Test_1、Test_2和Test_3三個(gè)測(cè)試點(diǎn)。在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)濾波器的通帶放大倍數(shù)達(dá)不到理論值的2倍，遂用一個(gè)50k的電位器代替圖中濾波器中的47K電阻R4,通過調(diào)節(jié)電位器，可以得到不失真的通帶放大倍數(shù)，優(yōu)化后濾波器部分的電路如圖3.10所示： 圖3.10 濾波電路圖4.2 調(diào)試?yán)煤瘮?shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)壓控電壓源二階帶通濾波器進(jìn)行測(cè)試，得到數(shù)據(jù)表3.11： 表3.11電路數(shù)據(jù)表幅值（ch 1）幅值（ch 2）頻率(Hz)輸入Vi（V）輸出Vo(V)放大倍數(shù)Aou增益Kf頻率對(duì)數(shù)lg(f/f0

12、)139020.70.35-9.118640.132820.80.4-7.95880.125520.90.45-6.935750.121121.050.525-5.596810.118921.10.55-5.192750.116721.20.6-4.436970.114821.30.65-3.741730.113121.40.7-3.098040.111921.60.8-1.93820.109921.80.9-0.915150.108022100.107122.11.050.0.106122.41.21.0.104822.81.42.0.103423.11.553.0.102223.21.64

13、.08240.101323.81.95.0.100623.91.955.0.990.32426.0206-0.9792426.0206-0.96823.61.85.10545-0.96123.41.74.-0.949231.53.-0.93722.81.42.-0.92522.61.32.-0.9082210-0.89621.80.9-0.91515-0.87921.60.8-1.9382-0.86621.40.7-3.09804-0.85321.320.66-3.60912-0.83121.20.6-4.43697-0.81921.20.6-4.43697-0.796210.5-6.0206

14、-0.77420.90.45-6.93575-0.75020.80.4-7.9588-0.73720.80.4-7.9588-0.將數(shù)據(jù)輸入，利用繪圖功能得出波特圖如圖3.12所示：圖3.12 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)頻率特性由圖中數(shù)據(jù)可看出通帶中心頻率為990Hz,通帶放大倍數(shù)為2倍，增益為6dB。兩個(gè)截止頻率分別為1040Hz和940Hz左右，通頻帶寬度為100Hz。對(duì)比仿真圖3.5和圖3.6a、圖3.6b后得出結(jié)論：此次設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。原理概述：帶通濾波器原理圖該濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，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。電路性能參數(shù) 通帶增益： (AV=12) 中心頻率： (1000Hz)通帶寬度： 品質(zhì)因數(shù)： (12)圖4 由二階高通濾波電路和低通濾波電路級(jí)聯(lián)而成的帶通濾波電路。有源濾波電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)，故便于級(jí)聯(lián)。 圖4 有源二階帶通濾波器參考文獻(xiàn)：1張國雄,沈生培.精密儀器電路M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.2聞伍椿.運(yùn)算放大器在電測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.3陳澤進(jìn).模擬電子技術(shù)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1994.4北方交通大學(xué)電信第.有源濾波器M.北京：中國鐵道出版社，1982.5李永敏