有源濾波器設計報告書

..XX工業(yè)大學課程設計任務書題目名稱有源濾波器設計學院專業(yè)班級姓名學號摘要濾波器〔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。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路,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的頻率分量,能將其他范圍分量衰減的設備。一個理想濾波器應該有一個完全平坦的通帶,例如在通帶內沒有增益或者衰減,并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉。另外,通帶外的轉換在技校的頻率范圍完成。實際上,并不存在理想的帶通濾波器,因為并不能將期望頻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,濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好,這樣濾波器的性能就與設計更加接近。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,這種效應被稱為吉布斯現(xiàn)象。帶通濾波器能夠廣泛應用在電子學和信號處理領域,本文重點介紹了帶通濾波器的工作原理以及設計方法,介紹了帶通濾波器的工作原理并設計了一個帶通濾波電路,并給出了系統(tǒng)的電路設計方法和主要模塊的原理分析。由實驗結果可知,該濾波器具有良好的濾波效果,并能穩(wěn)定運行。關鍵詞：帶通濾波器multisim設計目錄前言…………………4第一章二階帶通濾波器設計的內容和要求……5第二章電路設計…………………6一、正弦波產生電路設計……………………6二、壓控電壓源型二階帶通濾波器設計………8第三章電路的仿真調試…………10第四章焊接并調試電路…………13第五章總結………………………14第六章主要參考文獻……………15前言近幾年隨著冶金、化工、紡織機構等工業(yè)使用的各種非線性用電設備而產生的大量的高次諧波,已導致電網(wǎng)上網(wǎng)正常波形發(fā)生嚴重畸變,影響到供電系統(tǒng)的電能質量和用戶用電設備的安全經(jīng)濟運行。隨著生產技術方式的變化,生產力確實得到較大提高,可同時也受到方方面面的限制。如當人們做出了具體的制度設計需要付諸實踐進行試驗,試驗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行檢驗。有源濾波器一般由集成運放與RC網(wǎng)絡構成,它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,同時,由于集成運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,以達到提高信噪比或選頻的目的,因而有源濾波器被廣泛應用于通信、測量及控制技術中的小信號處理。此系統(tǒng)以測控電路以及電子電工的基本理論為基礎,并通過查閱手冊和參考文獻資料,綜合運用測控電路課程中所學的理論知識,在一個團隊的共同協(xié)作下完成設計的。二階帶通濾波器設計的內容和要求一、課程設計的內容1、設計內容

〔1正弦波產生電路中文氏電橋振蕩工作原理分析；〔2分析正弦波產生電路中W2的作用；〔3計算二階帶通濾波器電路中各元件的參數(shù)；〔4用Matlab畫出所設計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,選用相應軟件實現(xiàn)電路的仿真,并畫出電路各點的信號波形,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),購買相應元器件,完成電路焊接、調試。二、課程設計的要求與數(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,制作與調試,演示與答辯,提交設計報告。三、課程設計應完成的工作1、電路原理圖設計；2、電路工作原理分析；3、電路參數(shù)計算與分析；4、電路原理仿真；5、電路制作、調試；6、撰寫設計報告；7、實物演示與答辯。電路設計一、首先設計一個如下圖所示的1000Hz的正弦波產生電路：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)絡組成,其中,R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡,接于運算放大器的輸出與同相輸入端之間構成正反饋,以此產生正弦自激振蕩。R3、Rw以及R4組成負反饋網(wǎng)絡,調節(jié)Rw可改變負反饋的反饋系數(shù),從而調節(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)絡與負反饋中的R3、Rw剛好組成一個四臂電橋,電橋的對角線定點街道放大器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,構成一個完整的振蕩電路。振蕩電路的傳遞函數(shù)計算根據(jù)上圖計算：,其中,Z1、Z2分別為途中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡的阻值。可以計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振蕩電路分析就實際的頻率而言,可用s=jw替換,在w=時,經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡傳輸?shù)竭\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)絡的選頻響應=相頻響應=-arctan由此可知ω=,或f==時,幅頻響應的幅度為最大,即=而相頻響應的相位角為零,即=0這說明,當ω=時,輸出的電壓的幅度最大〔當輸入電壓的幅度一定,而頻率可調時,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,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Av1略大于3時,達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過調節(jié)才能輸出穩(wěn)定的正弦波。適當調整負反饋的強弱,使Av1的值在起振時略大于3,達到穩(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,波形將產生嚴重的非線性失真。二極管對A1的輸出電壓進行限幅再進入比例放大環(huán)節(jié)調節(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,應讓====3解得=20.3K==39.8%所以應該調到39.8%左右,才產生最理想的波形。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?；瑒幼冏杵鞯恼{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>設計一個壓控電壓源二階打通濾波器,指標要求為：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該電路的傳遞函數(shù)：<2.7>品質因數(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取標稱值=160kΩ將將C=0.02μF,=160kΩ,=2=2π代入〔2.8得到關于的二次方程：－－=0可解得=5719Ω=11438Ω取標稱值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試如下圖所示,為1000Hz正弦波產生電路在Multisim軟件中的電路圖打開仿真開關,調節(jié)W1,調節(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,仿真結果基本滿足設計要求,所選元器件參數(shù)沒有錯誤,可以進行實際制作階段。第四章焊接并調試電路。根據(jù)所需列表,購買相應的元器件,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行測試,直至設計基本達到要求。第五章總結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,各項指標已經(jīng)達到了設計要求,經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)電路測試效果良好。在課程設計期間,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。本次課設的題目為《二階帶通濾波器設計》,是我們本學期所學課程《測控電路》里的一個重要內容,但縱觀整個設計過程,我們既需要理解并運用《測控電路》里的知識,也要回憶起大一所學的《電子電路技術〔模擬部分》,還要要求熟練使用multisim軟件進行仿真,可謂是把大一到大三的知識都用了個遍。通過這次課程設計,我們三人不僅對課本的知識有了更加深入的認識,也體會到各種知識如何在實際的設計中的運用,還體會到小組成員間應該如何進行配合。在實驗之前,我們三人進行了資料查閱,找了不少有關二階帶通濾波器的相關資料,對我們實驗設計的正確開展提供了不少幫助。在進行設計和調試的時候,不斷發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,仔細尋找解決問題的辦法。我們學會了對實際設計的帶通濾波器的性能進行分析,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,比較難調試出比較合適的參數(shù),而且,在實際中,電路元件的參數(shù)容易隨外界環(huán)境的干擾發(fā)生變化,容易導致中心頻率的偏移,從而影響濾波結果的準確性。在這次電路設計中,我們先計算電路參數(shù),然后利用multisim進行虛擬仿真,在計算機調節(jié)各項參數(shù),直至設計出符合要求的電路,并利用軟件自帶的仿真功能對電路進行分析,直至得到設計出所要求的結果。由最后電路的測量分析結果可知,通過multisim仿真出來的結果與理論分析的計算結果十分接近。在本次課設中,我們三人都得到了不少的成長,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