有源濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告書

..XX工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目名稱有源濾波器設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)班級姓名學(xué)號摘要濾波器〔filter是一種用來消除干擾雜訊的器件,將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到的純凈的直流電。對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路,就是濾波器,其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。帶通濾波器〔band-passfilter是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量,能將其他范圍分量衰減的設(shè)備。一個理想濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶,例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減,并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉。另外,通帶外的轉(zhuǎn)換在技校的頻率范圍完成。實(shí)際上,并不存在理想的帶通濾波器,因?yàn)椴⒉荒軐⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉,尤其是在索要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍,這通常被稱為濾波器的滾降現(xiàn)象,使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常,濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好,這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而隨著滾降范圍越來越小,通常就變得不再平坦-開始出現(xiàn)"波紋"。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯,這種效應(yīng)被稱為吉布斯現(xiàn)象。帶通濾波器能夠廣泛應(yīng)用在電子學(xué)和信號處理領(lǐng)域,本文重點(diǎn)介紹了帶通濾波器的工作原理以及設(shè)計(jì)方法,介紹了帶通濾波器的工作原理并設(shè)計(jì)了一個帶通濾波電路,并給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法和主要模塊的原理分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該濾波器具有良好的濾波效果,并能穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞：帶通濾波器multisim設(shè)計(jì)目錄前言…………………4第一章二階帶通濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求……5第二章電路設(shè)計(jì)…………………6一、正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)……………………6二、壓控電壓源型二階帶通濾波器設(shè)計(jì)………8第三章電路的仿真調(diào)試…………10第四章焊接并調(diào)試電路…………13第五章總結(jié)………………………14第六章主要參考文獻(xiàn)……………15前言近幾年隨著冶金、化工、紡織機(jī)構(gòu)等工業(yè)使用的各種非線性用電設(shè)備而產(chǎn)生的大量的高次諧波,已導(dǎo)致電網(wǎng)上網(wǎng)正常波形發(fā)生嚴(yán)重畸變,影響到供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和用戶用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著生產(chǎn)技術(shù)方式的變化,生產(chǎn)力確實(shí)得到較大提高,可同時也受到方方面面的限制。如當(dāng)人們做出了具體的制度設(shè)計(jì)需要付諸實(shí)踐進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)過程中不可避免地會受到一些偶然隨即因素的干擾,為評價新方案的效果,需排除這些隨即因素的影響,即需要一個濾波器。經(jīng)濾波以后對新方案的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。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,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號,衰減無用頻率的信號,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)中的小信號處理。此系統(tǒng)以測控電路以及電子電工的基本理論為基礎(chǔ),并通過查閱手冊和參考文獻(xiàn)資料,綜合運(yùn)用測控電路課程中所學(xué)的理論知識,在一個團(tuán)隊(duì)的共同協(xié)作下完成設(shè)計(jì)的。二階帶通濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1、設(shè)計(jì)內(nèi)容

〔1正弦波產(chǎn)生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析；〔2分析正弦波產(chǎn)生電路中W2的作用；〔3計(jì)算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)；〔4用Matlab畫出所設(shè)計(jì)的二階帶通濾波器的幅頻和相頻曲線； 2、電路仿真根據(jù)有源濾波器電路工作原理,選用相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)電路的仿真,并畫出電路各點(diǎn)的信號波形,觀察有源濾波器隨著輸入信號頻率的變化,有源濾波器輸出信號的變化。 3、使用Protel繪制電路原理圖,布局PCB板,使用熱轉(zhuǎn)印或者曝光方法制作電路板,根據(jù)系統(tǒng)原理圖及所選擇的元件及參數(shù),購買相應(yīng)元器件,完成電路焊接、調(diào)試。二、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)1、完成二階帶通濾波器電路的分析與制作；2、討論與分析,制作與調(diào)試,演示與答辯,提交設(shè)計(jì)報(bào)告。三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1、電路原理圖設(shè)計(jì)；2、電路工作原理分析；3、電路參數(shù)計(jì)算與分析；4、電路原理仿真；5、電路制作、調(diào)試；6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告；7、實(shí)物演示與答辯。電路設(shè)計(jì)一、首先設(shè)計(jì)一個如下圖所示的1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路：RC橋式振蕩電路如上圖所示。由圖示可知,此電路由放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)組成,其中,R1、C1和R2、C2為串、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,以此產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、Rw以及R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),調(diào)節(jié)Rw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。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋中的R3、Rw剛好組成一個四臂電橋,電橋的對角線定點(diǎn)街道放大器A1的兩個輸入端,橋式振蕩電路的名稱便由此得來。根據(jù)電路分析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,選擇合適的放大指標(biāo),構(gòu)成一個完整的振蕩電路。振蕩電路的傳遞函數(shù)計(jì)算根據(jù)上圖計(jì)算：,其中,Z1、Z2分別為途中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻值。可以計(jì)算得到輸入與輸出的傳遞函數(shù)如下：……〔1.1由〔1.1式可得,=即取==16KΩ,==0.01μf,則有===1000Hz振蕩電路分析就實(shí)際的頻率而言,可用s=jw替換,在w=時,經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放同相端的電壓與同相,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),可以滿足滿足相位平衡條件。<jω>=令=,且==C,==R,則式〔1.2變?yōu)?lt;jω>=由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻響應(yīng)=相頻響應(yīng)=-arctan由此可知ω=,或f==時,幅頻響應(yīng)的幅度為最大,即=而相頻響應(yīng)的相位角為零,即=0這說明,當(dāng)ω=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,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w=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,使振蕩幅度自動的穩(wěn)定下來,開始時,放大電路的放大倍數(shù)Av1=;為可變電阻值的上部分值,為下部分值,當(dāng)Av1略大于3時,達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過調(diào)節(jié)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)定是Av1=3,其輸出波形為正弦波,失真很小。如果Av1的值略大于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。為了讓輸出波形穩(wěn)定,應(yīng)讓====3解得=20.3K==39.8%所以應(yīng)該調(diào)到39.8%左右,才產(chǎn)生最理想的波形。由圖〔1.1可以得出放大器A2的增益===由于0≤≤1K,所以1.9≤≤2.1由此可見。滑動變阻器的調(diào)節(jié)功能對放大器的增益影響不大。二壓控電壓源型二階帶通濾波器2.1壓控帶通濾波器的傳遞函數(shù)壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖所示,電路的傳遞函數(shù)為：〔s==<2.1>式〔2.1中：是帶通濾波器的中心角頻率。分別為帶通濾波器的高低截止角頻率。中心角頻率：<2.2><2.3>中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：<2.4>式〔2.4中,通帶帶寬：BW=f=BW=<2.5>Q==<BW＜＜時><2.6>設(shè)計(jì)一個壓控電壓源二階打通濾波器,指標(biāo)要求為：通帶中心頻率=1kHz;；通帶電壓放大倍數(shù)=2;;通帶帶寬△f=50Hz。2.2設(shè)計(jì)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該電路的傳遞函數(shù)：<2.7>品質(zhì)因數(shù)：Q===20通帶的中心頻率：=2π×1000〔2.8通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)：==2=取C=<μF>=<μF>=0.02μF為使電路穩(wěn)定工作必須要求＜3,取=2,即由此可算出電阻=Ω=159155Ω取標(biāo)稱值=160kΩ將將C=0.02μF,=160kΩ,=2=2π代入〔2.8得到關(guān)于的二次方程：－－=0可解得=5719Ω=11438Ω取標(biāo)稱值Ω=11.5kΩ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。第三章電路的仿真調(diào)試如下圖所示,為1000Hz正弦波產(chǎn)生電路在Multisim軟件中的電路圖打開仿真開關(guān),調(diào)節(jié)W1,調(diào)節(jié)示波器時間軸比例得到下圖的波形圖,從圖中可以看出,正弦波經(jīng)過放大,且周期大約是1ms,即1000Hz.如上所示為壓控電壓源二階帶通濾波器電路上圖為對應(yīng)的波形圖,且可以看出,通帶電壓放大倍數(shù)大約為2由上圖可看出通帶中心頻率大約是1000Hz通帶下限截止頻率大約是975Hz通帶上限截止頻率大約是1025Hz通過上下限截止頻率可知,通帶帶寬△f=50Hz。通過以上仿真可知,仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求,所選元器件參數(shù)沒有錯誤,可以進(jìn)行實(shí)際制作階段。第四章焊接并調(diào)試電路。根據(jù)所需列表,購買相應(yīng)的元器件,并根據(jù)電路圖焊接電路。定值電阻電位器電容整流二極管放大器錫線其它16K*210K*347K*2160K*111.5K*15.76K*1100K*11K*10.01μF*20.02μF*22LM324一圈萬用板2塊導(dǎo)線若干萬用表1個電烙鐵1個利用函數(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,直至設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求。第五章總結(jié)在本小組三個成員的努力下,經(jīng)過4天的日夜奮戰(zhàn),終于按照要求完成任務(wù),各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)電路測試效果良好。在課程設(shè)計(jì)期間,雖然多多少少出現(xiàn)了一些問題,但在各位組員的共同努力下,經(jīng)過不斷的討論和交流,最終還是順利完成了老師交代的任務(wù)。本次課設(shè)的題目為《二階帶通濾波器設(shè)計(jì)》,是我們本學(xué)期所學(xué)課程《測控電路》里的一個重要內(nèi)容,但縱觀整個設(shè)計(jì)過程,我們既需要理解并運(yùn)用《測控電路》里的知識,也要回憶起大一所學(xué)的《電子電路技術(shù)〔模擬部分》,還要要求熟練使用multisim軟件進(jìn)行仿真,可謂是把大一到大三的知識都用了個遍。通過這次課程設(shè)計(jì),我們?nèi)瞬粌H對課本的知識有了更加深入的認(rèn)識,也體會到各種知識如何在實(shí)際的設(shè)計(jì)中的運(yùn)用,還體會到小組成員間應(yīng)該如何進(jìn)行配合。在實(shí)驗(yàn)之前,我們?nèi)诉M(jìn)行了資料查閱,找了不少有關(guān)二階帶通濾波器的相關(guān)資料,對我們實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確開展提供了不少幫助。在進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試的時候,不斷發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,仔細(xì)尋找解決問題的辦法。我們學(xué)會了對實(shí)際設(shè)計(jì)的帶通濾波器的性能進(jìn)行分析,找出其存在的問題。由于濾波器的中心頻率對電路元件〔如電容、電阻的參數(shù)十分敏感,比較難調(diào)試出比較合適的參數(shù),而且,在實(shí)際中,電路元件的參數(shù)容易隨外界環(huán)境的干擾發(fā)生變化,容易導(dǎo)致中心頻率的偏移,從而影響濾波結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這次電路設(shè)計(jì)中,我們先計(jì)算電路參數(shù),然后利用multisim進(jìn)行虛擬仿真,在計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù),直至設(shè)計(jì)出符合要求的電路,并利用軟件自帶的仿真功能對電路進(jìn)行分析,直至得到設(shè)計(jì)出所要求的結(jié)果。由最后電路的測量分析結(jié)果可知,通過multisim仿真出來的結(jié)果與理論分析的計(jì)算結(jié)果十分接近。在本次課設(shè)中,我們?nèi)硕嫉玫搅瞬簧俚某砷L,不僅在各自的動手能力和對課本知識的掌握中有了提高,培養(yǎng)了對該課程的興趣,還培養(yǎng)了善于發(fā)現(xiàn)問題,解決問