基于運算放大器的工頻信號陷波器課設

1、燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書目錄 第一章 摘要2 第二章 基于運算放大器的工頻信號陷波器設計過程2 2.1 設計意義 2 2.2 理論分析與設計 3 2.2.1 總體分析 3 2.2.2 具體分析與設計 4 2.3 參數(shù)計算 6 2.4 整體電路 8 第三章 基于運算放大器的工頻信號陷波器性能測試8 3.1 multisim 仿真原理圖 83.2 multisim 仿真結(jié)果 9 3.2.1 仿真波形圖9 3.2.2 仿真數(shù)據(jù)記錄及簡要分析12 第四章 基于運算放大器的工頻信號陷波器設計結(jié)論12 第五章 心得體會13 參考文獻 14 第一章 摘要本說明書介紹了一種基于運算放大器的工

2、頻信號陷波器的設計與仿真過程。簡要地介紹了工頻信號陷波器的設計意義和設計原理，設計采用從整體到部分的方法，先畫出總體框圖，再對每一個部分進行詳細的分析與設計。然后，該說明書詳細地介紹了該陷波器的參數(shù)計算和電路組成，通過multisim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。 關鍵字：運算放大器；陷波器；工頻信號；仿真第二章 基于運算放大器的工頻信號陷波器設計過程2.1 設計意義陷波器也叫帶阻濾波器，能保證在其他頻率信號不損失的情況下，有效地抑制輸入信號中某一頻率的干擾。由于我國采用的是50HZ的交流電，所以在平時需要對信號進行采集處理和分析時，經(jīng)常會存在

3、50HZ工頻干擾，對于信號的處理造成很大的干擾。于是，很有必要設計50HZ的陷波器。此外，工頻陷波器不僅在通信領域里被大量應用，還在自動控制、雷達、聲納、人造衛(wèi)星、儀器儀表測量及計算機技術等領域有著廣泛的應用，因此本次課程設計，使我們對現(xiàn)實中的很多裝置有了進一步了解。2.2 理論分析與設計2.2.1 總體分析 陷波器的實現(xiàn)方法有很多，高性能的工頻陷波器，它應能完全濾除工頻信號。要獲得這樣高的性能，需要Q值很高的濾波器，而且調(diào)諧必須非常準確，而雙T帶阻濾波器的Q值接近到150，適合一般低頻窄帶濾波器設計。因此，本次設計采用電路比較簡單，易于實現(xiàn)的雙T型陷波器?；谶\算放大器的工頻信號雙T陷波器設

4、計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，即設計中心頻率分別為50Hz。采用子電路的方法，首先設計中心頻率50Hz的雙T帶阻濾波器，再以放大單元消除傳遞函數(shù)的h0以達到獲得原信號設計要求。通過示波器觀察輸入與輸出波形，計算出衰減，進而檢驗該工頻陷波器的性能。此雙T帶阻濾波電路分為四個獨立的單元： 1. 輸入信號； 2. 50Hz雙T窄帶陷波器； 3. 放大系數(shù)為K的放大單元； 4. 輸出信號。 電路整體設計框圖如圖2.2.1所示。50H陷波器放大單元輸出信號輸入信號 圖2.2.1基于運算放大器的工頻信號陷波器整體設計框圖2.2.2 具體分析與設計1.50HZ陷波器

5、分析與設計：圖2.2.2a 50HZ陷波器設計圖 如上圖，是采用雙T型帶阻電路設計的50HZ陷波器。該電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)： ； 令； ； 將上式化成標準形式,則 其中有：令，可得： 所以雙T型帶阻電路的設計方程為： 2. 放大單元的分析與設計： 為了實現(xiàn)最后輸出的是單位增益，所以放大單元的放大倍數(shù)，即,所以得出放大單元的設計方程為： 其設計圖如下：圖2.2.2b 放大單元設計圖 2.3 參數(shù)計算 1.Q的計算：圖2.3 帶阻濾波器頻率特性 如圖，濾波器的中心頻率和抑制帶寬BW之間的關系為：為了滿足要求，令帶寬為1HZ，即BW=1HZ，因此Q=50HZ/1HZ=50。2.雙T型陷波器相關參數(shù)計算：

6、由雙T型50HZ陷波器的設計公式， 進行參數(shù)計算。 令C=C1=C2=1uF,得R=R1=R2=3.183k，C3=2C=2uF,R3=R/2=1.5915k。 由Q=50，可得R4/R5=0.99，令R5=10k，則R4=9.9k。3.放大單元相關參數(shù)計算：由可得H0=1.99由可得，K=1/1.99由放大單元設計公式：可得，R7=1.99R6令R6=10k，則R7=19.9k2.4 整體電路圖2.4 基于運算放大器的工頻信號陷波器整體電路圖第三章 基于運算放大器的工頻信號陷波器性能測試 3.1 multisim 仿真原理圖 經(jīng)過第二章的分析與設計，采用multisim仿真的原理圖如圖3.1

7、。其中輸入信號用函數(shù)發(fā)生器代替，可通過改變函數(shù)發(fā)生器的頻率，來仿真不同頻率通過的不同情況，通過觀察示波器的輸入與輸出波形，來判斷該陷波器的陷波性能。圖3.1 multisim 仿真原理圖3.2 multisim 仿真結(jié)果3.2.1 仿真波形圖1.函數(shù)發(fā)生器頻率為48HZ時： 圖3.2.1a 函數(shù)發(fā)生器頻率為48HZ時波形圖2.函數(shù)發(fā)生器頻率為49HZ時: 圖3.2.1b 函數(shù)發(fā)生器頻率為49HZ時波形圖3.函數(shù)發(fā)生器頻率為50HZ時: 圖3.2.1c 函數(shù)發(fā)生器頻率為50HZ時波形圖4.函數(shù)發(fā)生器頻率為51HZ時: 圖3.2.1d 函數(shù)發(fā)生器頻率為51HZ時波形圖5.函數(shù)發(fā)生器頻率為52HZ時

8、 圖3.2.1e 函數(shù)發(fā)生器頻率為52HZ時波形圖3.2.2仿真數(shù)據(jù)記錄及簡要分析 仿真數(shù)據(jù)記錄如下表：表1 =48Hz、49Hz、50Hz、51Hz、52Hz時數(shù)據(jù)記錄頻率/Hz輸入幅值/V輸出幅值/V衰減/dB相位差489.9999.854 -0.127 1.1094499.9999.029-0.8861.1765509.9990.003-70.4570.99785110.0008.841-1.0700.8340529.9979.646-0.3100.8786分析：當頻率為48Hz或49HZ的信號通過陷波器時，由于頻率小于50HZ，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。當頻率為50Hz的信

9、號通過陷波器時，由于該頻率等于中心頻率，所以該信號衰減較多，不能通過陷波器。當頻率為51Hz或52HZ的信號通過陷波器時，由于該頻率大于50HZ，因此衰減較少，所以該信號能通過陷波器。并且容易知道，越接近中心頻率，衰減越多。注：本小節(jié)multisim仿真圖中綠色（顏色較淺）是輸出曲線，紅色（顏色較深）是輸入曲線。 第四章 基于運算放大器的工頻信號陷波器設計結(jié)論在Multisim軟件平臺上對不同頻率的正弦波信號進行仿真分析可以知道，當輸入信號的頻率不等于陷波器的中心頻率（50Hz）時，輸入信號可以順利通過，輸出幅值略微有些衰減但不存在波形失真問題。但當輸入信號的頻率為50Hz時，輸出信號幅值衰減

10、很大，此時，可以認為，該系列頻率的信號通過陷波器時被濾掉了。據(jù)分析，輸入信號為正弦波信號時，該陷波器能夠濾掉50Hz的工頻信號而對其余信號無影響。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認為該陷波器符合設計要求。 此次設計的陷波器優(yōu)點是：陷波性能良好，帶寬較小，品質(zhì)因數(shù)Q可調(diào)，即濾波性能便于調(diào)整，電路線路簡單，具有實際應用價值。缺點是：對于元器件的參數(shù)要求高，需要仔細調(diào)節(jié)。第五章 心得體會 為期一周的測控電路課程設計轉(zhuǎn)眼就結(jié)束了，雖然只有短短的幾天，我卻有了很多收獲。 通過這次的課程設計，我初步學會了如何簡單的使用Multisim軟件，并且更加深刻全面的了解了工頻信號陷波器的一般原理和基本的實現(xiàn)方法，通過理論與實踐的結(jié)合，把死板的知識變得更加的生動有趣，使我對學習測控電路這門課程的學習興趣濃厚了許多。同時我也明白了，即使知道了理論知識，在實踐應有的過程中也會出現(xiàn)很多問題，我們必須讓理論和實踐相結(jié)合，這樣才能真正的掌握一門知識。這次課設，讓我學會了堅持和努力，這也將為我今后的學習和工作奠定一定的基礎。而在課設中暴露的一些問題，今后一定要改正，不能