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文檔簡介

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計多功能有源濾波器 院 系 : 專 業(yè) : 年級(班級): 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 完成日期: 成 績 :目 錄1 引 言11.1 濾波器的發(fā)展歷程11.2 濾波器的分類21.3 有源濾波器的介紹22 設(shè)計方案簡述42.1 方案設(shè)計與論證42.2 基本電路分析53 Multisim電路仿真驗證73.1 Multisim仿真模型設(shè)計73.2 仿真結(jié)果分析84 硬件焊接、安裝與調(diào)試94.1 器件清單94.2 硬件焊接94.3 安裝與調(diào)試115 結(jié)論與心得12參 考 文 獻13多功能有源濾波器1 引 言濾波電路在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動控制、通信及其它電子系統(tǒng)中應(yīng)

2、用非常廣泛。采用集成運放構(gòu)成的RC有源濾波器,輸入阻抗高,輸出阻抗低,可提供一定增益,截止頻率可調(diào)。本文通過對一種多功能濾波器電路的理論分析,得出該濾波器的低通、帶通和高通頻率特性;通過參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)計,可方便應(yīng)用于無線通信、頻分多址通信系統(tǒng)中;采用EDA仿真軟件Multisim對電路進行仿真分析、調(diào)試,從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。1.1 濾波器的發(fā)展歷程在電子電路中,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

3、通過。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(jì)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

4、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(dāng)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(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀(jì)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。1.2 濾波器的分類實際上有些濾

5、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(dāng)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。 

6、(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

7、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,

8、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2??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

9、在持續(xù)發(fā)展中。2 設(shè)計方案簡述根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計一個可以同時獲得高通、低通和帶通三種濾波特性的濾波器2.1 方案設(shè)計與論證方案一: 用一個求和電路輸出三個信號,再用三個UA741分別實現(xiàn)高通、帶通、低通功能電路,其方框圖如圖1所示。交流信號源 反向積分電 路實現(xiàn)低通 反向求和電 路實現(xiàn)帶通 反向求和電 路實現(xiàn)高通圖2.1 方案一原理方框圖方案二: 對于同一電路,一定的輸入電壓,可以同時實現(xiàn)兩種不同的濾波器3。通過比例、求和、積分等若干基本運算電路組合,外接幾個電阻,就可實現(xiàn)多功能有源濾波功能,用3個UA741,電容,電阻調(diào)節(jié)適當(dāng)參數(shù)可實現(xiàn),如圖 2所示。電路結(jié)構(gòu)對稱,性能往往僅與電阻比值有關(guān)

10、,從而大大降低了對集成精度的苛求,且電路性能穩(wěn)定4。圖2.2 多功能有源濾波器原理圖  由于要同時實現(xiàn)高通、帶通、低通功能,方案一計算不方便,電路復(fù)雜,接線不方便,易接觸電阻,增大誤差,制作難度大。兩種電路比較起來,方案二更好,所以我選擇方案二。2.2 基本電路分析濾波電路由集成運放和RC網(wǎng)絡(luò)組成,見圖3。由圖3可知: (式2.1)圖2.3多功能濾波器原理圖 (式2.2) 令 則 (式2.3)令 (式2.4)則 濾波電路的高通頻響特性方程為 (式2.5)同理,得出濾波電路的帶通和低通頻響特性方程分別為: (式2.6) (式2.7)綜上分析可知,多功能濾波電路可以同時實現(xiàn)高通、低通和帶

11、通三種濾波特性。當(dāng)R1=R2=R4=R7=R,R3=R5=R,C1=C2=C,品質(zhì)因數(shù)時,高通與低通具有理想的輸出特性,濾波器的截止頻率為且通帶寬度BW及其中心頻率,都取決于電路的截止頻率。以上式(8)式(11)構(gòu)成了確定多功能有源濾波器電阻、電容值的原則。首先確定截止頻率,選擇合適電容C(C1,C2),并估算出電阻R值(R3,R5);再根據(jù)輸出頻率特性曲線理想原則,根據(jù)Q值選擇電阻R1、R65。3 Multisim電路仿真驗證 Multisim是由IIT公司推出的專門用于電子電路仿真和設(shè)計的EDA工具軟件,其界面形象、直觀,結(jié)合了電路設(shè)計、仿真,VHDL /Verilog的設(shè)計。3.1 Mu

12、ltisim仿真模型設(shè)計有源濾波器的Multisim仿真模型如圖4所示。根據(jù)電阻、電容值確定原則,有關(guān)元器件參數(shù)賦值如下:電阻R1R5=R7= 10 k,R6= 8. 9 k;電容C1=C2= 0. 01F;N1N3為通用型集成運放741;電壓源V1、V2、幅值為5 V,頻率分別為0. 4 kHz和12 kHz,兩路正弦波信號經(jīng)電壓加法器A1混疊后作為濾波器的輸入信號,示波器XSC1的A、B通道分別為高通輸出和低通輸出。圖3.1 濾波器仿真模型3.2 仿真結(jié)果分析圖3.2 仿真波形由圖可知,電路對高頻成分和低頻成分的分離較好,波形只有很少的混疊狀況。當(dāng)R6= 8. 9 k,Q=0.707時,高

13、、低通及帶通幅頻特性曲線波形最為理想。4 硬件焊接、安裝與調(diào)試4.1 器件清單表4.1 多功能有源濾波元器件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量uA7413 中號焊接電路板1電阻10k8電阻8.9k1電容瓷片電容0.01f24.2 硬件焊接由于芯片管腳問題,且使用萬用板,導(dǎo)致不可避免的飛線。圖4.1 焊接電路正面 背面按照設(shè)計電路鋪設(shè)了錫電路圖4.2 焊接電路反面 4.3 安裝與調(diào)試1、安裝:按電路圖布局好電路,之后焊接好電路板。 2、調(diào)試(1)靜態(tài)調(diào)試 用萬用表對電路板進行靜態(tài)測試,目的主要是為了防止虛焊或者漏焊。(2)動態(tài)調(diào)試 接好電路,利用函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字毫伏表以及示波器來驗證多功

14、濾波器的功能。  1)高通的調(diào)試  輸入信號為5V,改變其頻率,使得輸出電壓也為5v,則此放大倍數(shù)為1,減小頻率使得輸出的電壓為輸入的0.707,則此時的頻率為截止頻率 2)帶通的調(diào)試  同樣輸入電壓為5v,改變其頻率,使得輸出與輸入相等為5v,則此時的頻率為中心頻率,減小頻率使得輸出的電壓為輸入的0.707,則此時的頻率為截止頻率,增大其頻率,使得輸出的電壓為輸入的0.707倍時,則此時的頻率為上限截止頻率,改變頻率,從小到大,記錄毫伏表的輸出電壓與信號發(fā)生器的頻率。 3)低通的調(diào)試  輸入信號為5v,改變其頻率,使得輸出等于輸入為5v,則此時的放大倍數(shù)也為1,增大其頻率,使得輸出的電壓為輸入的0.707倍時,則此時的頻率為上限截止頻率。5 結(jié)論與心得 通過整流、濾波、穩(wěn)壓電路可把交流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電源。 通過比例、求和、積分等若干基本運算電路組合,外接幾個電阻,就可得到低通、高通、帶通濾波電路。  通過這次課程設(shè)計,學(xué)習(xí)multisium軟件的使用,加深對濾波電路原理的理解,也通過這次的課程設(shè)計多了和同學(xué)之間的溝通和交流。總之,這次很高興,雖然花了很多時間、精力,但是完成了這次的課程設(shè)計,做出了實現(xiàn)功能的作品,算是一次真正的動手能力的測試,真正的把知識運用于實踐。參 考 文 獻1劉燕鵬. 基

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