有源濾波課程設(shè)計(jì)課件

1、第 1 頁摘摘 要要在學(xué)習(xí)測控電路基礎(chǔ)上，針對課程設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)通帶中心頻率為 1KHz、通帶電壓放大倍數(shù)為 2、通帶帶寬為 50Hz 帶通濾波器，選擇有源濾波器的快速設(shè)計(jì)法為設(shè)計(jì)方案，計(jì)算出該方案需要的電阻、電容、運(yùn)算放大器參數(shù)，通過 Multisim 軟件仿真和電路板的制作，對所選的方案進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證方案的正確性，并將實(shí)際設(shè)計(jì)的正弦波產(chǎn)生電路波形與仿真得到的波形進(jìn)行比較，將實(shí)際設(shè)計(jì)的壓控電壓源二階帶通濾波器輸出波形與仿真得到的波形進(jìn)行比較，分析誤差產(chǎn)生的原因。關(guān)鍵字：二階帶通；濾波器；Multisim 仿真；調(diào)試；正弦波產(chǎn)生電路；壓控電壓源；誤差第 2 頁前言前言隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，

2、以模擬電子技術(shù)為基礎(chǔ)的測控電路發(fā)展迅猛，廣泛運(yùn)用于各種檢測控制系統(tǒng)。為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，更好地將測控電路理論與實(shí)踐結(jié)合起來，以適應(yīng)電子技術(shù)飛速的發(fā)展形勢，我們必須通過對本次課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)和理解，從而進(jìn)一步提高我們的實(shí)際動(dòng)手能力。信號(hào)的產(chǎn)生、分離是測量系統(tǒng)中信號(hào)處理常用的且十分重要的方法。在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到振蕩器產(chǎn)生各種或高或低的頻率滿足需求，還需濾波器來傳送輸入信號(hào)中有用的頻率成分，抑制或衰減無用的頻率成分。濾波器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過對濾波器器的原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠低通、高通、帶寬、阻

3、帶等多種形式的濾波器。我們通過對電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最合適本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟(jì)、最方便、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案選擇具體的元件，焊接出具體的實(shí)物，并在實(shí)驗(yàn)室對事物進(jìn)行調(diào)試，觀察效果是否與課題要求的性能指標(biāo)作對比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。第 3 頁目錄目錄前言前言.2一一 、題目要求與方案論證題目要求與方案論證.41. 題題目目要求要求.42. 方案論證方案論證.42.1 正弦波產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路.42.2 濾波器種類濾波器種類.42.3 壓控電壓源二階帶通濾波器工作原理分析壓控電壓源二階帶通濾波器工作原理分析.5二二 、電子線路設(shè)計(jì)

4、與實(shí)現(xiàn)、電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).71. 1KHZ 的的正正弦波產(chǎn)生電路制作弦波產(chǎn)生電路制作.71.1 正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì).71.2 正弦波電路工作原理分析正弦波電路工作原理分析.82. 控電壓源型二階有源帶通濾波器制作控電壓源型二階有源帶通濾波器制作.112.1 壓控電壓源型二階有源帶通濾波器電路設(shè)計(jì)壓控電壓源型二階有源帶通濾波器電路設(shè)計(jì).112.2 壓控電壓源型二階濾波電路參數(shù)計(jì)算與分析壓控電壓源型二階濾波電路參數(shù)計(jì)算與分析.132.3 圖樣分析圖樣分析.15三三 、結(jié)論與分析結(jié)論與分析.17四四 、設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié).19五五 、附錄附錄.20六六 、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).20第

5、4 頁一一 題目要求與方案論證題目要求與方案論證1 1、題目要求、題目要求1、首先制作一個(gè) 1000Hz 的正弦波產(chǎn)生電路。2、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：。kHzf102uoAHzf502 2、方案論證、方案論證2.12.1 正弦波產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路分為 RC 正弦波產(chǎn)生電路與 LC 正弦波產(chǎn)生電路兩類。RC 正弦波振蕩電路由 R、C 元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)，一般用來產(chǎn)生 1Hz1MHz 范圍內(nèi)低頻信號(hào)；LC 正弦波振蕩電路由 L、C 元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)，一般用來產(chǎn)生 1MHz 以上的高頻信號(hào)。本次課程設(shè)計(jì)中要求產(chǎn)

6、生 1kHz 的正弦波振蕩電路，故采用 RC 正弦波振蕩電路。從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩電路是一個(gè)沒有輸入信號(hào)的帶選頻饋放大電路。振蕩電路的振蕩頻率 f0是由電路的相位平衡條件決定的，且只在一個(gè)頻率下滿足相位平衡條件，這個(gè)頻率就是 f0。這就要求在電路環(huán)路中包含一個(gè)具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)，簡稱選頻網(wǎng)絡(luò)。欲使振蕩電路自行建立振蕩，需要滿足|AF|1 的條件，在接通電源后，振蕩電路就有可能自行起振，或者說能夠自激，最后趨于穩(wěn)態(tài)平衡。RC 正弦波振蕩電路有橋式振蕩電路，雙 T 網(wǎng)絡(luò)式和移相式振蕩電路等類型，本次課程設(shè)計(jì)要求采用文式電橋振蕩電路。2.22.2 濾波器種類濾波器種類對信號(hào)進(jìn)行分析與處理時(shí), 常常

7、會(huì)遇到有用信號(hào)疊加上無用噪聲的問題,這些噪聲有的是與信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生的, 有的是傳輸過程中混入的。因此, 從接收的信號(hào)中消除或減弱干擾噪聲, 就成為信號(hào)傳輸與處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號(hào)與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號(hào)的過程稱為濾波, 實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種：第 5 頁 無源濾波器: 由電感 L、電容 C 及電阻 R 等無源元件組成 有源濾波器: 一般由集成運(yùn)放與 RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信

8、號(hào)，衰減無用頻率的信號(hào)，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。從功能來上有源濾波器分為：低通濾波器（LPF） 、高通濾波器（HPF） 、帶通濾波器（BPF） 、帶阻濾波器（BEF） 、全通濾波器（APF） 。其中前四種濾波器間互有聯(lián)系，LPF 與 HPF 間互為對偶關(guān)系。當(dāng) LPF 的通帶截止頻率高于 HPF 的通帶截止頻率時(shí)，將 LPF 與 HPF 相串聯(lián)，就構(gòu)成了 BPF，而 LPF 與 HPF 并聯(lián)，就構(gòu)成 BEF。在實(shí)用電子電路中，還可能同時(shí)采用幾種不同型式的濾波電路。濾波電路的主要性能指標(biāo)有通帶電壓放大倍數(shù) AVP

9、、通帶截止頻率 fP 及阻尼系數(shù) Q 等。2 2、3 3 壓源二階帶通濾波器工作原理分析壓源二階帶通濾波器工作原理分析二階有源濾波器是一種信號(hào)檢測及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路, 也是高階慮波器的基本組成單元。常用二階有源帶通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無限增益多路反饋型，本次課程設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型設(shè)計(jì)課題。有源二階濾波器基礎(chǔ)電路如圖 1 所示：圖 1 壓控電壓源二階帶通濾波器第 6 頁這種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。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 1 所示。電路的傳輸函數(shù)為

10、： 212321321111)1 (1121)(RRCRsARRRCssCRAsAffu22ooouosQssQA1上式中： 是帶通濾波器的中心角頻率。、分別為帶通濾波器 21o12的高、低截止角頻率。 中心角頻率： 、 2123111RRCRo2)1 (11212130fARRRCQ3中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：o 32111)1 (11RARRRAAffuo4上式中： 451RRAf5 通帶帶寬： 或 12BW12fff )1 (11212130fARRRCQBW6 ffBWQ00時(shí)）0(BW此電路的優(yōu)點(diǎn)是改變和的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。5R4R 第 7 頁二、電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

11、二、電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.1. 1kHz1kHz 的正弦波產(chǎn)生電路制作的正弦波產(chǎn)生電路制作1.11.1 正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)如下，為已知設(shè)計(jì)要求電路圖 圖 2我們參考上圖 1KHz 的電路，再根據(jù)上面正弦波發(fā)生的原理，在 Multisim 軟件上進(jìn)行仿真測試，(選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率為：1KHz)電路如下圖： 圖 3文氏電橋正弦波產(chǎn)生電路 W1 可調(diào)節(jié)到正弦波起振及平衡的條件（所以調(diào)節(jié)此電阻至關(guān)重要此電位器不宜取過大，要先調(diào)小電位器阻值，發(fā)生自激，當(dāng) W1=39%，剛好輸出我們需要的 1KHz 的正弦波。仿真結(jié)果如圖 3 所示：第 8 頁 圖 4 文氏電橋輸出波形注：紅色為正弦波發(fā)生電

12、路輸出波形，黃色為經(jīng)過同相放大器放大后的波形，放大倍數(shù)大約為 2 倍1.21.2 正弦波電路工作原理分析正弦波電路工作原理分析該電路采用了文氏電橋振蕩電路，其工作原理分析如下：文氏電橋振蕩電路由兩部分組成：即放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)。由集成運(yùn)放組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，取其輸入電阻高、輸出電阻低的特點(diǎn)。圖 2 中，組成電橋的一個(gè)臂，組成另一個(gè)臂，與組成電橋的另11,CR22,CR213,DDR1W外兩個(gè)臂，起穩(wěn)定振幅的作用，適當(dāng)調(diào)節(jié)，可以得到波形失真小，且工作穩(wěn)定的輸出波1W形。是為了克服二極管死區(qū)而設(shè)的。由于振蕩器的輸出阻抗較高，直接連在負(fù)載上會(huì)影3R響它的正常工作，圖中 A2 作為同向放大器

13、接到振蕩器的輸出端，振蕩信號(hào)從 A2 的輸出端引出，輸出信號(hào)有調(diào)整。圖 2 文氏電橋振蕩電路可簡化為下圖：2W第 9 頁文氏電橋原理由 Z1、Z2 組成，同時(shí)兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)，稱為 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由上圖可知，Z1、Z2 和Rf、R3 正好構(gòu)成一個(gè)電橋的四個(gè)臂，電橋的對角線頂點(diǎn)接到放大電路的兩個(gè)輸入端。上圖左點(diǎn)畫線框所表示的網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，它的頻率響應(yīng)特性曲線具有明顯的峰值。由上圖可得： sCsCRsCRZ1117 sCRRsCRsCRZ11128反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為 22120)(31)()()(sCRsCRsCRZZZsVsVsFfV9就實(shí)際的頻率而言，可用替換，則得js RCjCRRC

14、jFV3)1 (22210如令，則上式變?yōu)镽C10第 10 頁 )(3100jFV11由此可 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng) 2002)(31VF12和 3)(arctan00f13由上式可知，當(dāng) RC1014時(shí)，幅頻響應(yīng)的幅值最大，即 31maxVF而相頻響應(yīng)的相位角為零，即0f這就是說，當(dāng)時(shí)，輸出電壓的幅值最大（當(dāng)輸入電壓的幅值一定，而頻率RC10可調(diào)時(shí)） ，并且輸出電壓是輸入電壓的，同時(shí)輸出電壓與輸入電壓同相，即有和310f。這樣，放大電路和由組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，滿足相位平0fa21,ZZ衡條件，因而有可能振蕩。由于電路中存在噪聲，頻譜分布很廣，其中也包括有這樣一

15、個(gè)頻率成分。RC10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，最后受電路中的穩(wěn)壓二極管限制，使振蕩幅度自動(dòng)穩(wěn)定下來，開始時(shí)，第 11 頁略大于 3，達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，從而產(chǎn)生11RRAfV)1(31, 30RCFAVV持續(xù)的振蕩，其輸出波形為正弦波，失真很小。起振時(shí)及振蕩幅度較小時(shí)，上壓降不足于使、導(dǎo)通；當(dāng)振蕩幅度增至某一值時(shí)，3R1D2D兩二極管分別在輸出電壓的正負(fù)兩個(gè)半周輪流導(dǎo)通，而且由于二極管正向?qū)ǖ姆蔷€性，正向電壓越大，正向電阻越小，使振蕩器的負(fù)反饋深度加深，使幅度穩(wěn)定在某一值。OU圖 3 電路除了采用文氏電橋振蕩電路，還采用了同相比例放大電路對振蕩電路的

16、輸出信號(hào)進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)為，其中，分別為電位器的左半部和右半14251RRRRKf1R2R2W部的阻值，所以電位器的作用是調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的增益大小的。2W2.2. 壓控電壓源型二階有源帶通濾波器制作壓控電壓源型二階有源帶通濾波器制作2.1 壓控電壓源型二階有源帶通濾波器電路設(shè)計(jì)壓控電壓源型二階有源帶通濾波器電路設(shè)計(jì)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kHzf10帶電壓放大倍數(shù)：；通帶帶寬：。2uoAHzf50 圖 5 壓控電壓源二階帶通濾波器電路圖第 12 頁 圖 6 壓控電壓源二階帶通濾波器輸出波形注：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

17、濾波器的輸出波形，放大倍數(shù)為 2 倍。 圖 7 電路輸出的波特圖2.22.2 壓源型二階濾波電路參數(shù)計(jì)算與分析壓源型二階濾波電路參數(shù)計(jì)算與分析1）.參數(shù)計(jì)算由設(shè)計(jì)要求可得：，1000*2200f15100*22f16第 13 頁則品質(zhì)因數(shù) 100Q17由測控電路 （第 3 版 天津大學(xué) 張國雄 主編）第 103 頁知： 202202)/()(Qcc18得： 20220042QQc19代入數(shù)據(jù)，得：，19001c21002c 則：，Hzfc9751Hzfc10252由測控電路 （第 3 版 天津大學(xué) 張國雄 主編）第 118 頁二階有源濾波器設(shè)計(jì)電容選擇用表，可選擇： FCCn102120又 2

18、123111RRCRo21 )1 (11212130fARRRCQ22 32112)1 (11RARRRAAffuo23451RRAf24取kRR4754第 14 頁故 2145RRAf25聯(lián)立上述式子，解得：，kR15.1591kR8 .112kR7 .233為了便于設(shè)計(jì)電路，經(jīng)仿真，?。?，kR1601kR122kR2432）.誤差分析：中心角頻率實(shí)際值： rad/s64991112123RRCRo實(shí)26中心角頻率理論值： rad/s62832*1000理o27則： %5%4 . 31理理實(shí)ooo28通帶帶寬實(shí)際值： rad/s625)1 (11212130fARRRCQBW實(shí)29通帶帶寬理

19、論值： rad/s6282*100理BW30 則： %5%5 . 02理理實(shí)BWBWBW31綜上所述，在誤差允許的范圍內(nèi)，可取：，kR1601kR122kR2432.32.3 圖樣分析圖樣分析1）采用 multisim 中波特圖示儀的畫出二階帶通濾波器的幅頻和相頻曲線：第 15 頁圖 8 幅頻曲線 圖 9 相頻曲線2）采用 Altium Designer 軟件編輯原理圖如下：第 16 頁 圖 10 原理圖 三、三、結(jié)論與分析結(jié)論與分析我們通過杜邦線將我們設(shè)計(jì)的兩個(gè)電路模塊連接起來測試 圖 11 電路板第 17 頁 圖 12 實(shí)物圖通過調(diào)節(jié) RC 正弦波發(fā)生電路的電位器，得到了比較接近我們理論值

20、的正弦波 圖 13 RC 正弦波發(fā)生我們將調(diào)試的 1KHZ 的正弦波接入我們的帶通濾波電路，可以調(diào)節(jié)反饋電阻阻值使得我們的放大倍數(shù)滿足要求：第 18 頁圖 14 壓控電壓源二階帶通濾波器輸出波形用信號(hào)發(fā)生器測試濾波器的通帶頻率是否滿足要求：在實(shí)際的調(diào)試中，我們的正弦波發(fā)生器是基本上符合理論值的。 四、設(shè)計(jì)與總結(jié)四、設(shè)計(jì)與總結(jié)通過這幾天努力制作課程設(shè)計(jì)，我與我們小組成員從實(shí)際制作電子電路中學(xué)到了不少東西。我們小組選擇的題目是“有源濾波器設(shè)計(jì)” ，而首先得制作一個(gè) 1kHz 的正弦波振蕩電路，再設(shè)計(jì)二階帶通濾波器，完成整個(gè)設(shè)計(jì)要求。從老師布置設(shè)計(jì)任務(wù)書之后，我們便進(jìn)行了組內(nèi)分工，初步分配一個(gè)人負(fù)責(zé)起稿設(shè)計(jì)報(bào)告，一個(gè)人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算和電路分析，一個(gè)人負(fù)責(zé)用仿真軟件繪制電路圖，后期則一起參與制作電路板，一起撰寫、修改報(bào)告。我一開始是負(fù)責(zé)電路元件參數(shù)的計(jì)算與分析，通過查閱與數(shù)值計(jì)算，更加深刻地了解了文式電橋正弦波振蕩電路以及壓控電壓源型二階帶通濾波器的工作原理。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們也遇到了不少麻煩和問題。計(jì)算數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大誤差，仿真電路波形輸出存在偏差的問題，選擇元器件類型也花費(fèi)了不少時(shí)間，現(xiàn)問題是不可避免的，這也源于平時(shí)少于實(shí)踐操作的關(guān)系，也很少主動(dòng)動(dòng)手進(jìn)行實(shí)操，課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)雖然對課程設(shè)計(jì)起到一定的幫助，但反而一些具體的細(xì)節(jié)的步驟無法在實(shí)驗(yàn)中得到鍛煉與熟悉。組內(nèi)分工合不合理也