二階帶通濾波器課程設(shè)計2要點

1、、制作一個1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路:XSC1圖1.1正弦波產(chǎn)生電路1.1 文氏電橋振蕩工作原理如圖所示，R1、C1和R2、C2為申、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、D1, D2以及W1組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié) W1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，這個負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)起到穩(wěn)定振幅的作用， 適當(dāng)調(diào)節(jié)W1可以得到波形失真小且工作穩(wěn)定的輸出波形。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋中的R3、D1, D2以及W1剛好組成一個四臂電橋，即文氏電橋。分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，根據(jù)正弦波振蕩電路的振幅平衡條件，選 擇合

2、適的放大指標(biāo)，構(gòu)成一個完整的振蕩電路。1.2 正弦波產(chǎn)生電路中 W2的作用振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)U2的同相端輸入，經(jīng)U2的輸出端輸出，具振蕩信 號的輸出幅度可由W2調(diào)節(jié)1.3 振蕩電路的傳遞函數(shù)1由圖（1.1）有 乙=R1十，Z2 sC1R2R21d _R211 sC2R2sC2其中，乙、Z2分別為圖1.1中RC用、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻值。得到輸入與輸出的傳遞函數(shù):SR2C1R1R2c1c2s2 (R2C2 R1C1 R2c1)s 1由式（1.1）得-Is2 (R1C1R1R2C1C21sR1C211(1.1)+R2c2R1C1)sR1R2C1C2.R1 R2GC215取 R1= R2 = 16kC,

3、C1 =C2 =0.01RF,則有02nZnyRRCQ2M3.141山62 1106 -0.012 - 101.4 振蕩電路分析就實際的頻率而言，可用s = js替換，在切=%時，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放同相端的電壓與Uo1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。Fv(j )=j C1R21 2j C1R1 j C2R2 - 2C1C2R1R2(1.2)C1C2R1R2Fv(j )=(1.3)03 j() 0 由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)由此可知，當(dāng)f - - arctan(1.4)(1.5)0 =00 = j，或 f = f

4、0 =C1C2R1R22Cr時，幅頻響應(yīng)的幅度為最大，即FV m a x=而相頻響應(yīng)的相位角為零，即這說明，當(dāng)二0C1C2R1R2時，輸出的電壓的幅度最大（當(dāng)輸入電壓的幅度一定，而頻率可調(diào)時），并且輸出電壓時輸入電壓的1/3,同時輸出電壓與輸入 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 。=00這樣一些 頻率成分。這種微弱的信號，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， 使振蕩幅度自動地穩(wěn)定下來，開始時，放大電路的放大倍數(shù)Av1=1+ R3 +RW1 ; Rwi為可變阻值的上部分值，Rw2為Rw2下部分值，當(dāng)Av1略大于3時，達(dá)

5、到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過調(diào)節(jié) Rw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的值在起振時略大于3,達(dá)到 穩(wěn)定時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 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)生嚴(yán)重的非線性失真。二極管對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AVo(s) W R3_51K 10K 0Vf (s)W下A = = 3解得皿下西203K ： 0.398=39.8% 51K所以W1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

6、出放大器A2的增益八R4 W2 R3 10K 1K 10K21KA/ 2 二 Z二二2R4+W2 左10K+W2 左10K+W2 左由于0WW2左W1K,所以1.9 AV2 M2.1由此可見，滑動變阻器W2的調(diào)節(jié)對放大器的增益影響不大。二、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：Au二s2-C R3RR2Af s RC+ (1-Af) s +27 1R3c IR R% co sQ(2.1),1 o2八 s o Q、伯2分別為帶式（2.1）中：0o =病旃 是帶通濾波器的中心角頻率 通濾波器的高、低截止角頻率。中心角

7、頻率:、丁 o,o 1_ _ 2一一R3 c1R1R2 )Q CIR1 上?）(2.2)(2.3)中心角頻率 露處的電壓放大倍數(shù):AuoAf式（2.4）中,Af通帶帶寬：BW = 2一%或f = f2 - f1.，0BW =-0Q C R31+十RR2(1-Af)(2.5)Q =d =fBW 訐(BW 0 時)(2.6)圖2.1壓控帶通濾波電路通帶中心頻率設(shè)計一個壓控電壓源二階帶通濾波器，指標(biāo)要求為:f0=1kHz;通帶電壓放大倍數(shù) Au0=2;通帶帶寬Af =100Hz。2.2設(shè)計步驟及元器件選擇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):Au(s)(2.(7)品

8、質(zhì)因數(shù):1000100=10Q q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)：Auo=-R3-=22R1Q 一 CR3取 C =10（/F） =0-（F） =0.01/F f01000為使電路穩(wěn)定工作必須要求 Af 3,取Af =2,即R = R由此可算出電阻AfQ2 10Ri = =1 = 1591551人0 0c 2 2二 1000 0.01取標(biāo)稱值R =160k將A=2、 Af =2代入得R3 =2R2將 C =0.01NF,Ri =160kC,R3 =2R2圖 0 =2nf0 代入式（2.8）得到關(guān)于 R2的二次方程:_2_2（2 二 fo） R22R1C12C2可

9、解得R = 116561R3 -23312.1取標(biāo)稱值：R=11.kH, &=23.7kC至此，壓控電壓源二階帶通濾波器無源器件參數(shù)基本確定三、模擬仿真與元器件準(zhǔn)備3.1 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:R2 16KQ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 , -：1：60kQ：10oFCl圖3.3壓控電壓源二階帶通濾波器電路圖通道2.202 V通道_B1.879 V通道二通道電比例i/Drv比例5V/Div 比例5 吧X位盍 0丫位

10、置 0丫位置 0畫）畫園叵AclFoltSclkJ反向 保存Ext. Trigger觸發(fā)邊沿團(tuán)國RO電平 av標(biāo)堆注：紅色為函數(shù)信號發(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得到模擬的兩個截止頻率分別是 1040Hz和940Hz。通過以上仿真得出結(jié)論：仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計要求，所選元器件參數(shù)沒有錯誤, 可以進(jìn)行實際制作階段。3.2 兀器件列表表3.7設(shè)計所用元器件列表:定

11、值電阻可變電阻器電容二極管放大器錫線其他10Kx350Kx 110nFX41N4148X 2OP07X 3圈測試板一一16Kx21KX 1個160Kx 1萬能表1個12Kxi電烙鐵124Kxi個47Kx 2電路板1塊導(dǎo)線若嚇?biāo)?、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。17圖3.8電路原理圖圖3.9 PCB布線圖為了方便后期調(diào)試，將三個運(yùn)放通過跳線帽jump_1/2和jump_2/3獨立開，并在每個運(yùn)放輸出引出Test_1、Test_2和Test_3三個測

12、試點。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：4.2調(diào)試表 3.11:利用函數(shù)信號發(fā)生器和示波器對壓控電壓源二階帶通濾波器進(jìn)行測試，得到數(shù)據(jù)幅值(ch 1)幅值(ch 2)頻率(Hz)輸入Vi (V)輸出Vo(V)放大彳首數(shù)Aou增益Kf頻率對數(shù)lg(f/f0)139020.70.35-9.118640.1430148132820.80.4-7.95880.123198075125520.90.45-6.935750.09864372

13、6121121.050.525-5.596810.083144143118921.10.55-5.192750.075181855116721.20.6-4.436970.067070856114821.30.65-3.741730.059941888113121.40.7-3.098040.053462605111921.60.8-1.93820.048830087109921.80.9-0.915150.040997692108022100.033423755107122.11.050.4237860.029789471106122.41.21.5836250.02571538410482

14、2.81.42.9225610.020361283103423.11.553.8066340.014520539102223.21.64.08240.009450896101323.81.95.5750720.005609445100623.91.955.8006920.002597981990.32426.0206-0.0042332219792426.0206-0.00921730896823.61.85.10545-0.01412464396123.41.74.608978-0.017276612949231.53.521825-0.02273378893722.81.42.922561

15、-0.02826040992522.61.32.278867-0.0338582679082210-0.04191415189621.80.9-0.91515-0.0476919987921.60.8-1.9382-0.05601112586621.40.7-3.09804-0.06248210885321.320.66-3.60912-0.06905096983121.20.6-4.43697-0.08039897681921.20.6-4.43697-0.086716098796210.5-6.0206-0.09908693277420.90.45-6.93575-0.1112590397

16、5020.80.4-7.9588-0.12493873773720.80.4-7.9588-0.132532512表3.11電路數(shù)據(jù)表將數(shù)據(jù)輸入，利用繪圖功能得出波特圖如圖 3.12所示:對數(shù)頻率特性圖3.12實測數(shù)據(jù)的對數(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 個截止頻率分別為1040Hz和940Hz左右，通頻帶寬度為100Hz。對比仿真圖3.5和圖3.6a圖3.6b后得出結(jié)論：此次設(shè)計基本達(dá)到設(shè)計要求。24總結(jié)在課程設(shè)計小組成員的努力下， 經(jīng)過 4 天的奮戰(zhàn)， 這次課程設(shè)計比預(yù)期提前了 1 天完成， 各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求， 電路測試效果良好

17、， 雖然期間走了不少彎 路，但最終還是順利完成。本次的課設(shè)的題目二階帶通濾波器設(shè)計是課程測控電路的一個重要內(nèi)容， 但在整個設(shè)計過程中卻涉及到其他學(xué)科的知識， 例如大二學(xué)過的 模擬電路 ，和 EDA 技術(shù) ，通過這次課程設(shè)計，不僅對課本的知識有了更深入的了解，更體會到電子設(shè)計中不同學(xué)科知識的交叉。本次課程設(shè)計能夠提前完成，很大程度上歸功于 EDA 技術(shù)的應(yīng)用，從開始的參數(shù)計算，到虛擬仿真，最后制作電路板，都沒有離開EDA 技術(shù)的支持，在電子設(shè)計領(lǐng)域， EDA 設(shè)計和仿真是一個十分重要的的設(shè)計環(huán)節(jié)，我們大家可能都用過萬用板或者其他的東西制作過一些電子制做來進(jìn)行實踐。但是有的時候，我們會發(fā)現(xiàn)做出來的

18、東西有很多的問題， 事先并沒有想到， 這樣一來就浪費(fèi)了我們的很多時間和物資， 在企業(yè)研發(fā)中則會增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期和延續(xù)了產(chǎn)品的上市時間從而使產(chǎn)品失去市場競爭優(yōu)勢。 在這次電路設(shè)計中， 我們先計算電路參數(shù)，利用 Multisim 進(jìn)行虛擬仿真，在計算機(jī)調(diào)節(jié)各項參數(shù)直至設(shè)計出符合要求的電路， 并利用軟件自帶功能對電路進(jìn)行分析， 直到得出設(shè)計所要求結(jié)果。 由設(shè) 計最后電路的測量分析可知， Multisim 中仿真分析結(jié)果與理論計算結(jié)果十分接 近。在電路制作方面，使用了 Altium Designer進(jìn)行電路板的設(shè)計，利用 Altium Designer強(qiáng)大的拓?fù)溥\(yùn)算能力，從元器件的布局到電路走線一氣呵成，大大縮短了電路板制作周期，而且在調(diào)試過程中對比 PCB 圖可以很快發(fā)現(xiàn)電路的錯誤并 進(jìn)行糾正，提高了設(shè)計的效率。在本次課程設(shè)計中，本人負(fù)責(zé)了大部分的電路設(shè)計，利用 EDA 技術(shù)，極大提高了工作效率， 并避免了因為設(shè)計不合理導(dǎo)致的各種問題， 使得本次設(shè)計能夠 順利完成。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.檢測儀