濾波器模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè) 電子信息 班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 帶通濾波器目錄第一章 摘要.3第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)和求.3 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù).3 2.2設(shè)計(jì)要求3第三章 總體方案選擇論證.4第四章 單元電路的設(shè)計(jì).64.1 直流電源的設(shè)計(jì)64.2 帶通濾波器主體電路84.3 帶寬檢測(cè)電路25第五章 總體電路圖27第六章 組裝與調(diào)試28 6.1儀器列表28 6.2數(shù)據(jù)波形29 6.3組裝調(diào)試方法技巧.29 6.4故障排除30第七章 電路特點(diǎn)與改進(jìn)意見(jiàn)31第八章 器件列表.32第九章 參考文獻(xiàn).32第十章 收獲體會(huì).33第一章摘要濾波電路是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電

2、子裝置。工程上常常用它來(lái)作信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾。濾波器電路的功能主要是傳送輸入信號(hào)中有用的頻率成分。本文主要討論設(shè)計(jì)一個(gè)由運(yùn)算放大、R和C組成的具有反饋的有源帶通濾波器。在正文中具體闡述了設(shè)計(jì)有源帶通濾波器的過(guò)程及方法，并且運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行仿真和分析最后進(jìn)行硬件的制作與調(diào)試?！娟P(guān)鍵詞】帶通濾波器反饋 Multisim第二章設(shè)計(jì)任務(wù)和求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)采用高通濾波器和低通濾波器級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的設(shè)計(jì),通過(guò)多級(jí)反饋,減少干擾信號(hào)對(duì)濾波器的影響。為了便于檢測(cè)濾波電路的通帶特性,設(shè)計(jì)一個(gè)帶寬檢測(cè)電路,通過(guò)發(fā)光二極管的亮滅檢測(cè)電路的帶寬范圍。2.2 設(shè)計(jì)要求(1)輸入信號(hào)

3、:有效值為1V 的電壓信號(hào)(2)輸出信號(hào)中心頻率f0通過(guò)開(kāi)關(guān)切換,分別為1kHz和10kHz,誤差5%以內(nèi);(3)帶通濾波器帶寬:BW=(fH -fL ),增益符合要求情況下帶寬盡可能窄;(4)用LED 發(fā)光二極管顯示上下限截止頻率。第三章總體方案選擇論證總體方案選擇的論證。內(nèi)容含曾考慮過(guò)的各方案框圖、簡(jiǎn)要原理和優(yōu)缺點(diǎn)以及所選定方案之理由等。方案一由于實(shí)驗(yàn)要求Q值及增益K值均較小，所以可以使用無(wú)限增益型濾波器電路，該電路比較簡(jiǎn)單，是常用的反相增益濾波器。具有穩(wěn)定性好和輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，易于與其它電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成高階濾波器。電路圖及計(jì)算公式如下。但是該設(shè)計(jì)沒(méi)有反饋回路，不夠穩(wěn)定。方案二電路原理框圖：

4、該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由兩部分組成。一是主電路部分，即帶通濾波器電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波,由高通濾波器、低通濾波器、反饋通路組成;二是帶寬檢測(cè)電路,檢測(cè)所設(shè)計(jì)的濾波器的頻帶寬度,驗(yàn)證濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,由線性檢波濾波電路和比較顯示電路組成。 與方案一相比，該電路有明顯的穩(wěn)定性。第四章單元電路的設(shè)計(jì)4.1 直流電源的設(shè)計(jì) 電路中，我們需要15V的直流電壓源，需將220V，50hz的交流電轉(zhuǎn)化為15V直流電。1. 如下圖所示，直流電源是由變壓電路，單項(xiàng)整流電路，濾波電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成。其中，變壓電路來(lái)改變電壓值，這里既降壓。整流電路是將交流信號(hào)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)濾波電路減小脈動(dòng)。為防止負(fù)載變化對(duì)輸出信號(hào)

5、的影響，在最后環(huán)節(jié)加上穩(wěn)壓電路，使輸出電壓基本保持不變。 設(shè)變壓器副邊有效值為U2，單相整流電路輸出電壓為Uo(AV),負(fù)載電流為IL(AV)?？紤]到電壓波動(dòng)范圍為±10%，二極管極限參數(shù)需滿足 所以二極管的選擇時(shí)，其耐壓值應(yīng)不下于24V。所設(shè)計(jì)的電路圖如下所示：對(duì)于穩(wěn)壓部分，我們采用串聯(lián)穩(wěn)壓電路，因?yàn)榇?lián)穩(wěn)壓電路具有良好的負(fù)載調(diào)整率，穩(wěn)定度高，準(zhǔn)確度高。4.2 帶通濾波器主體電路通過(guò)三個(gè)集成運(yùn)算放大器分別對(duì)輸入信號(hào)一次實(shí)現(xiàn)高通、帶通和低通,再將高通濾波輸出波形和低通濾波輸出波形反饋到最初的集成運(yùn)算放大器處, 以減少干擾信號(hào)對(duì)濾波器的影響。由于所要設(shè)計(jì)的帶通濾波器中心頻率可調(diào),因此,

6、需對(duì)電路中的電阻進(jìn)行合理選擇。參數(shù)計(jì)算如下：設(shè)輸入電壓為vi，三個(gè)運(yùn)放出來(lái)的電壓分別為v1，v2，v3。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的原則,可得到以下方程組:vi-v1+v32=v1+v32-v2v1=-jwR1C1v2v3=-v2jwR2C2v2vi=-SR2C2S2R1C1R2C2+SR2C2+1所以w0=1R1C1R2C2Q=R1C1R2C2且v2vi=-jww0Q-w2+jww0Q+w02v2vi=-1-jf0fQ+jff0Q+1Q=3時(shí)，設(shè)C1=C2=1nf， R1=9R2f0=1k時(shí)，得R2=53k，R1=477kf0=10k時(shí)，得R2=5.3k，R1=47.7k且Q=3，v2vi=12

7、時(shí)f0f=37+16或37-16即fH=37+16f0=1.18f0, fL=37-16f0=0.847f0帶寬為fH-fL=f031k電路圖如下所示：仿真結(jié)果如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器所得信號(hào)波形與原信號(hào)反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時(shí)，頻率為1khz，仿真誤差為0%。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，上限頻率為1.188khz。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，下限頻率為852.174hz。帶寬為335hz，仿真誤差為0.6%。10k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為10k，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器所得信號(hào)

8、波形與原信號(hào)反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時(shí)，頻率為10khz，仿真誤差為0。如圖易得，增益在接近-3dB時(shí)，上限頻率為11.884khz。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，下限頻率為8.551khz。帶寬為33.3hz，仿真誤差為0。Q=1時(shí)，設(shè)C1=C2=1nf， R1=R2f0=1k時(shí)，得R2=159k，R1=159kf0=10k時(shí)，得R2=15.9k，R1=15.9k且Q=1，v2vi=12時(shí)帶寬為fH-fL=f01k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器所得信號(hào)波形與原信號(hào)反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出

9、，輸入輸出幅值幾乎均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時(shí)，頻率為1khz，仿真誤差為0%。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，上限頻率為1.616khz。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，下限頻率為616.28hz。帶寬為1khz，仿真誤差為0。10k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為10k，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器所得信號(hào)波形與原信號(hào)反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時(shí)，頻率為10.116khz，仿真誤差為1.16%。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，上限頻率為16.163khz。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，下限頻率為6

10、.163khz。帶寬為10k，仿真誤差為0。Q=0.5時(shí)，設(shè)C1=C2=1nf， 4R1=R2f0=1k時(shí)，得R2=318.4k，R1=79.6kf0=10k時(shí)，得R2=31.84k，R1=7.96k且Q=1，v2vi=12時(shí)帶寬為fH-fL=2f01k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器所得信號(hào)波形與原信號(hào)反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時(shí)，頻率為1khz，仿真誤差為0%。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，上限頻率為2.407khz。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，下限頻率為418.606hz。帶寬為1.98

11、9khz，仿真誤差為0.55%。10k電路圖如下所示：如圖易得，頻率為1k，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器所得信號(hào)波形與原信號(hào)反向，且通道A數(shù)據(jù)可看出，輸入輸出幅值均為1.414V，即增益為1，與理論相符。如圖易得，增益在0dB時(shí)，頻率為10.233khz，仿真誤差為2.33%。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，上限頻率為24.07khz。如圖易得，增益在-3dB時(shí)，下限頻率為4.128khz。帶寬為19.942khz，仿真誤差為0.29%。4.3 帶寬檢測(cè)電路帶寬檢測(cè)電路主要由峰值檢測(cè)電路和比較器(運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn))組成。峰值檢測(cè)電路中，兩個(gè)波形大小與上圖Ra，Rb，Rc以及Ra，Rb，Rc的阻值選擇有關(guān),

12、經(jīng)過(guò)濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓, 且Rc=Ra+Rb，輸出直流電路與輸入峰值之比為RaRc。電路中RaRc=0.5，為了檢測(cè)電路的準(zhǔn)確性，峰值檢測(cè)波形A，B通道比例選擇為2:1，所得波形如下圖所示比較器中，帶通濾波輸出信號(hào)v2 和外部輸入信號(hào)vi 分別經(jīng)過(guò)峰值檢測(cè)電路后，所得的直流信號(hào)進(jìn)行比較,并將比較結(jié)果用發(fā)光二極管的亮滅狀態(tài)顯示。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，當(dāng)其為70%時(shí)，帶通濾波器輸入信號(hào)的頻率為帶通濾波器的上下限頻率時(shí),比較器的兩個(gè)輸入信號(hào)大小相同,發(fā)光二極管處于亮滅之間;當(dāng)信號(hào)頻率處于上下限頻率之間時(shí),發(fā)光二極管熄滅;反之,二極管點(diǎn)亮。通過(guò)上述檢測(cè)過(guò)程,易得BW= fH-fL第五章總體電路圖通過(guò)直流電源

13、部分，可以得到電路中所需要的15V直流電壓。濾波電路中，第二個(gè)運(yùn)放后的節(jié)點(diǎn)可得到我們所需要的帶通濾波信號(hào)，且所得信號(hào)的中心頻率時(shí)的波形，以及波特圖在4.2中均已列出。帶寬檢測(cè)電路中，峰值檢測(cè)電路后得到的是直流信號(hào)，且為輸入信號(hào)峰值的一半，當(dāng)A，B通道選擇比例為2:1時(shí)，可以看到很好的波形效果，結(jié)果如4.3中波形所示。第六章組裝與調(diào)試6.1儀器列表設(shè)備名稱(chēng)型號(hào)出產(chǎn)廠家出產(chǎn)日期雙蹤示波器G0S-6021Good Will Instrument Co., Ltd. (固緯電子實(shí)業(yè))2004穩(wěn)壓電源GPS-3303（3CH） GW Instek2004函數(shù)發(fā)生器EE-1642B1南

14、京新聯(lián)電子有限公司南京電訊儀器廠制造2000年11月20日萬(wàn)用表M9803東莞華儀儀表科技有限公司  交流毫伏表AS-2294上海愛(ài)儀電子有限公司20036.2數(shù)據(jù)和波形 實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果得Q=3時(shí)，1k中心頻率經(jīng)過(guò)LED顯示，范圍在993hz與1.001khz之間，實(shí)驗(yàn)誤差為0.3%；帶寬為365hz，誤差為9.6%。由于w0=1R1C1R2C2Q=R1C1R2C2為了在盡量不改變w0的情況下，將Q增大，所以適當(dāng)增大R1減小R2。Q=3，10khz時(shí)，中心頻率為10khz，誤差幾乎為0，帶寬為3.1k，誤差為6.9%。為了在盡量不改變w0的情況下，將Q減小，所以適當(dāng)減小R1增

15、大R2。6.3組裝調(diào)試方法技巧組裝調(diào)試過(guò)程中，電路按模塊搭建并調(diào)試。電路搭建過(guò)程中，面包板倆端設(shè)置為+VCC與-VCC，中間布地線，這樣可以使得電路中的地線盡量短。因?yàn)橹挥心M地，所以一根地線足夠。 另一方面，輸入信號(hào)vi與輸出信號(hào)v2避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。其他線的布局上，相鄰布線盡量使其垂直，避免平行，以防產(chǎn)生寄生耦合。6.4故障排除帶通濾波器主體電路模塊：故障1：初次搭建電路后，接入電源，發(fā)現(xiàn)353發(fā)燙。原因診斷及排除方法：及時(shí)關(guān)掉電源，檢查電路，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)串聯(lián)，重新搭建電路。故障2：再次修改搭建電路檢查過(guò)后，接入電路，測(cè)得中心頻率為600hz左右，明顯小于要求中心頻率。原因診斷及

16、排除方法：排除電路錯(cuò)誤原因后，檢查器件過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電容明顯大于標(biāo)稱(chēng)值，為適當(dāng)減小電容，選擇串聯(lián)電容的方法。在減小電容后，又經(jīng)過(guò)多次測(cè)試適當(dāng)調(diào)整電阻，最后才使得中心頻率較為標(biāo)準(zhǔn)。帶寬檢測(cè)電路模塊：故障1：搭建好峰值檢測(cè)電路后，用萬(wàn)能表測(cè)得v2為輸入的12時(shí)，發(fā)現(xiàn)帶寬為500hz與5khz左右，與理論值相差太多。原因診斷及排除方法：在帶通濾波器主體電路模塊調(diào)試過(guò)程中，在調(diào)整中心頻率時(shí)，忽略了Q=R1C1R2C2使得Q值太小。于是在調(diào)整Q值時(shí)，為了兼顧w0=1R1C1R2C2與Q=R1C1R2C2，在適當(dāng)減小R2時(shí)，并適當(dāng)增大R1。最終使得中心頻率域帶寬均在一個(gè)比較理想的狀態(tài)。第七章電路特點(diǎn)與改進(jìn)意見(jiàn)

17、 特點(diǎn)：1、 通過(guò)多級(jí)反饋,減少干擾信號(hào)對(duì)濾波器的影響。2、 為便于檢測(cè)濾波電路的通帶特性,設(shè)計(jì)了帶寬檢測(cè)電路,通過(guò)發(fā)光二極管的亮滅檢測(cè)電路的帶寬范圍。改進(jìn)意見(jiàn)：1、 由于電路要求中Q值與增益K均小于1，可以使用無(wú)限增益(MFB)型濾波器，這樣不僅可以簡(jiǎn)化電路，而且該濾波器具有較好的穩(wěn)定，且輸出阻抗低，易于與其它電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成高階濾波器，在以后的學(xué)習(xí)中比較容易擴(kuò)展。2、 可以在以后設(shè)計(jì)中使用PCB版，增加同學(xué)動(dòng)手能力。第八章器件列表開(kāi)關(guān)*2LM353*3電容102*3+470u*1電阻10k*2+20k*2+470k+6.7k+53k+4.7k+5.3k。第九章參考文獻(xiàn)1李祥臣，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教材，北京:清華大學(xué)出版社,2005.2楊素行，清華大學(xué)電子