基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器設(shè)計(jì)multisim仿真

課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系 學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)（班級）設(shè)計(jì)題目 基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)消除疊加在頻率為 1kHz 以上的測試信號中所包含的 50Hz 工頻信號及其高次諧波（最高 5 次）信號。設(shè)計(jì)要求1：完成題目的理論設(shè)計(jì)模型；2：完成電路的 multisim 仿真；工作量1：完成一份設(shè)計(jì)說明書(其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果)2：提交一份電路原理圖；工作計(jì)劃第一周周一到周二，查閱資料；第一周周三到周五，理論設(shè)計(jì)；第二周周一到周三，計(jì)算機(jī)仿真；第二周周四到周五，撰寫設(shè)計(jì)說明書并答辯；參考資料1：基于運(yùn)算放大器和集成電路的電路設(shè)計(jì)2：模擬電子技術(shù)3：電路原理4：數(shù)字電子技術(shù)5：電子濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師簽字 基層教學(xué)單位主任簽字說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2010 年 6 月 18 日 目 錄第 1 章 摘要 .4第 2 章 引言 .4第 3 章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器構(gòu)建 .53.1理論分析 .53.2 參數(shù)計(jì)算 .83.3 電路組成 .9第 4 章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器性能測試 .114.1 multisim 各頻率信號源仿真 .114.2 pspice仿真 .19第 5 章 結(jié)論 .20心得體會 .20參考文獻(xiàn) .204第 1 章 摘要本文介紹一種基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器的設(shè)計(jì)與制作，簡要地介紹了工頻信號陷波器的工作原理與設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)地介紹了該陷波器的參數(shù)設(shè)計(jì)和制作過程，通過 multisim 和 pispice 的仿真與測試，記錄和分析了該陷波器的工作特性與陷波性能，論證了該陷波器的可行性。該陷波器陷波性能良好，帶寬較小，電路線路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，濾波性能方便調(diào)整，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價值。第 2 章 引言工頻陷波器是阻帶寬度較小的帶阻濾波器，它的作用是阻止或?yàn)V掉信號中有害分量，達(dá)到減少對電路的影響。工頻為一頻率單一且固定的某一信號，工頻通常和二次諧波及高次諧波同時出現(xiàn)。而有時工頻是不需要的，甚至?xí)o其他信號造成很大的干擾。工頻陷波器就是為了很大程度地抑制或阻止該種所不需要工頻信號，同時對其他頻率的信號沒有較大的抑制作用。本文所采用基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器的一種設(shè)計(jì)方法是 DABP 帶阻濾波器的方法。高性能的工頻陷波器，它應(yīng)能完全濾除工頻和其高次諧波而不衰減其他諧波。要獲得這樣高的性能，需要 Q 值很高的濾波器，而且調(diào)諧必須非常準(zhǔn)確，而 DABP 帶阻濾波器的 Q 值達(dá)到 150，適合一般低頻窄帶濾波器設(shè)計(jì)。獲得高性能的工頻陷波器，采用 DABP 帶阻濾波器來實(shí)現(xiàn)陷波可大大提高其性能指標(biāo)。其實(shí)現(xiàn)陷波思路有：先利用 DABP 帶阻濾波器設(shè)計(jì)每個所要求中心頻率的陷波器，然后把各個濾波器串聯(lián)形成類似于梳狀陷波器的帶阻濾波器。5工頻陷波器不僅在通信領(lǐng)域里被大量應(yīng)用，還在自動控制、雷達(dá)、聲納、人造衛(wèi)星、儀器儀表測量及計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。第 3 章 基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器構(gòu)建3.1 理論分析基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器設(shè)計(jì)，用以消除疊加在頻率為 1kHz 以上的測試信號中所包含的 50Hz 工頻信號及其高次諧波（最高 5 次） ，即設(shè)計(jì)中心頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz 、200Hz、250Hz 的窄帶陷波器。采用子電路的方法，首先分為設(shè)計(jì)中心頻率分別為 50Hz、100Hz、150Hz 、200Hz、250Hz 的 5 個窄帶陷波器。然后把 5個陷波器串聯(lián)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后利用放大單元實(shí)現(xiàn)單位增益輸出。該窄帶帶阻濾波器分為六個獨(dú)立的單元：1. 50Hz 窄帶陷波器。2. 100Hz 窄帶陷波器。3. 150Hz 窄帶陷波器。4. 200Hz 窄帶陷波器。5. 250Hz 窄帶陷波器。6. 放大系數(shù)為 K 的放大單元。電路構(gòu)建框圖和最終電路圖如圖 3.1.1 圖 3.1.2 所示5 0 H z 陷波器1 0 0 H z 陷波器2 0 0 H z 陷波器2 5 0 H z 陷波器1 5 0 H z 陷波器輸入信號輸出信號放大單元6圖 3.1.1 基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器構(gòu)建框圖R 1 0R 1 2RRC 4R 1 1RRC 4R 1 3R 1 5RRC 5R 1 4RRC 5R 1R 3 RRC 1R 2RRC 1I NR 4R 6 RRC 2R 5RRC 2R 7R 9 RRC 3R 8RRC 3R 1 7R 1 6V O圖 3.1.2 基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器電路圖每個陷波器單元的設(shè)計(jì)可以獨(dú)立進(jìn)行，并滿足指定中心頻率和帶寬要求，基于僅僅需要消除疊加在頻率為 1kHz 以上的測試信號中所包含的 50Hz 工頻信號及其高次諧波（最高 5 次） ，為了降低帶寬，則需要選用高品質(zhì)因數(shù) Q 的電路，本設(shè)計(jì)選用 DABP 帶阻電路（Q150） ，其電路如圖 3.1.2 所示R 1R 3 RRCR 2RRCI NO U T7圖 3.1.3 DABP 帶阻電路DABP 帶阻電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)：(1.1.1) 2321RCSHS令 可得，Sj(1.1.2) 23211RCHj j將上式化成標(biāo)準(zhǔn)形式 ,則ONjj(1.1.3)201()NHjjQ令對應(yīng)系數(shù)相等，通過觀察可得： 2ON令 ，可得2230()RC(1.1.4)0231CR123QR所以 DABP 帶阻電路的設(shè)計(jì)方程為(1.1.5)12Rf231所以五個陷波器單元串聯(lián)的轉(zhuǎn)移函數(shù)： 22512223 5422()()1() 1()()1NHjjjQjjjQ8其中 ， ， ，123CR2561CR3891CR， ， ， ，4125145123Q4256，7389QR1042R1345R為了實(shí)現(xiàn)最后輸出的單位增益，所以放大單元的放大倍數(shù) ，即512K，因此基于運(yùn)算放大器的工頻信號陷波器的最終轉(zhuǎn)移函數(shù)：161732NHjj2 222 23 51 4221()1()()()1()jjjjjQQQ3.2 參數(shù)計(jì)算1 當(dāng)中心頻率為 50Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ，根據(jù)式 1Cuf10Rk(1.1.5) 計(jì)算可得 , 。所以取 ，147.65Rk238.R47。238R2 當(dāng)中心頻率為 100Hz 時,Q 為最大值 150 時，取 ， 。根據(jù)式20.47Cuf10Rk(1.1.5)計(jì)算可得 , 。所以取 ，4507.9k5638R458。5638R3 當(dāng)中心頻率為 150Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ,根據(jù)式 31Cuf0Rk9(1.1.5) 計(jì)算可得 , .所以取 ，7159.Rk891063R7159Rk。8906R4 當(dāng)中心頻率為 200Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ,根據(jù)式4.Cuf0k(1.1.5)計(jì)算可得 , .所以 ，10253.97k1269318R159R。126R5 當(dāng)中心頻率為 250Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ,根據(jù)式50.47Cuf0k(1.1.5)計(jì)算可得 , .所以 ，130.7k1431R1359R。145R6 因?yàn)榉糯髥卧姆糯笙禂?shù) ，所以 ，所以令 ，52K16172162k。17k3.3 電路組成圖 3.3.1、圖 3.3.2 分別為工頻信號有源陷波器 Pspice 仿真電路和 Multisim 真電路。10圖 3.3.1 工頻信號有源陷波器 Pspice 仿真電路圖 1.3.2 工頻信號有源陷波器 Multisim