創(chuàng)新課題設(shè)計(jì)報(bào)告-鎖相環(huán)濾波器的設(shè)計(jì).doc

創(chuàng)新課題設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 鎖相環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 姓 名：專 業(yè)：通信工程班級(jí)學(xué)號(hào)：08042135指導(dǎo)教師： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院20 11 年 10 月 26日 通信工程專 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20 1020 11 學(xué)年 第 2 學(xué)期第 1 周 20 周 題目 鎖相環(huán)濾波器的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由壓控振蕩器控制電壓不純而引起的寄生輸出。采用無(wú)源濾波器可以達(dá)到電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、高穩(wěn)定度的目的。由于上次設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器仿真效果不理想，老師讓我們改做有源濾波器。學(xué)生姓名：梁勇指導(dǎo)時(shí)間指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓 408 室任務(wù)下達(dá)20 11年 6月 13 日任務(wù)完成2011年 7 月 8 日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師劉敏系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。 摘要濾波器在通信中經(jīng)常用到的一個(gè)模塊，具有成熟的設(shè)計(jì)理論，一個(gè)好的濾波器能讓整個(gè)電路的效果更為清晰、直觀，因而對(duì)信號(hào)的要求直接體現(xiàn)在濾波器上。濾波效果影響到整個(gè)電路的好壞，不同功能的濾波器能讓信號(hào)跟著要求走，使設(shè)計(jì)理想。 此次設(shè)計(jì)的二階有源低通濾波器能夠過(guò)濾不需要的載頻分量和高頻噪聲，可以有效的抑制壓控震蕩引起的寄生輸出。 關(guān)鍵字： 濾波器 效果 有源 目 錄 第一章 題目要求與方案論證51.1 題目要求51.2 方案論證51.3 工作原理6第二章 電子線路設(shè)計(jì)與仿真82.1 設(shè)計(jì)思路82.2 參數(shù)選擇82.2 二階有源低通濾波器8第三章 結(jié)果與分析10第四章 心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)13附錄 芯片資料14 第一章 題目要求與方案論證1.1題目要求抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由壓控振蕩器控制電壓不純而引起的寄生輸出。采用無(wú)源濾波器可以達(dá)到電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、高穩(wěn)定度的目的。由于上次設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器仿真效果不理想，老師讓我們改做有源濾波器。設(shè)計(jì)二階有源低通濾波器。要求截止頻率f0=1000HZ；通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)A0=15，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。分析電路工作原理，設(shè)計(jì)電路圖，列出電路的傳遞函數(shù)，正確選擇電路中的參數(shù)。1.2 方案論證（1）：對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理時(shí), 常常會(huì)遇到有用信號(hào)疊加上無(wú)用噪聲的問(wèn)題, 這些噪聲有的是與信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生的, 有的是傳輸過(guò)程中混入的。因此, 從接收的信號(hào)中消除或減弱干擾噪聲, 就成為信號(hào)傳輸與處理中十分重要的問(wèn)題。根據(jù)有用信號(hào)與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號(hào)的過(guò)程稱為濾波, 實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。濾波器分為無(wú)源濾波器與有源濾波器兩種： 無(wú)源濾波器: 由電感L、電容C及電阻R等無(wú)源元件組成 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(shí)，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(hào)，衰減無(wú)用頻率的信號(hào)，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(cè)量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。從功能來(lái)上有源濾波器分為： 低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、 帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、 全通濾波器（APF）。其中前四種濾波器間互有聯(lián)系，LPF與HPF間互為對(duì)偶關(guān)系。當(dāng)LPF的通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率時(shí)，將LPF與HPF相串聯(lián)，就構(gòu)成了BPF，而LPF與HPF并聯(lián)，就構(gòu)成BEF。在實(shí)用電子電路中，還可能同時(shí)采用幾種不同型式的濾波電路。濾波電路的主要性能指標(biāo)有通帶電壓放大倍數(shù)AVP、通帶截止頻率fP及阻尼系數(shù)Q等。1.3 工作原理二階有源濾波器是一種信號(hào)檢測(cè)及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路, 也是高階慮波器的基本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無(wú)限增益多路反饋型和雙二次型。本次課程設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型設(shè)計(jì)課題。有源二階濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示： 圖1 二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率ff0時(shí)（f0 為截止頻率），電路的每級(jí)RC 電路的相移趨于-90，兩級(jí)RC 電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過(guò)電容c 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過(guò)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為： 令 稱為通帶增益 稱為等效品質(zhì)因數(shù) 稱為特征角頻率 則上式為二節(jié)低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式注： 濾波電路才能穩(wěn)定工作。第二章 電子線路設(shè)計(jì)與仿真2.1 設(shè)計(jì)思路 濾波器是一種使信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置。在信息處理，數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等自動(dòng)控制，通信等電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。濾波器一般可分為有源和無(wú)源兩種，有源濾波可以使幅頻特性陡峭，而無(wú)源濾波器簡(jiǎn)單易行，但幅頻特性不如有源濾波，而且無(wú)源體積較大。濾波器的階數(shù)有一階和高階，階數(shù)越高，幅頻特性越陡峭。高階濾波是由一階和二階級(jí)聯(lián)組成的。采用集成運(yùn)放構(gòu)成的RC有源濾波具有輸入阻抗高，輸出阻抗低，可提供一定增益，截止頻率可調(diào)等特點(diǎn)。壓控電壓二階低通有源濾波是有源很重要的一種，并且有成熟的結(jié)構(gòu)和參數(shù)計(jì)算可工參考，因此選擇該濾波器來(lái)設(shè)計(jì)。2.2 參數(shù)選擇 我們的設(shè)計(jì)題目是二階有源低通濾波器。要求截止頻率f0=1000HZ；通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)A0=15，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。由 =0.707可以求得，所以低通濾波器的通帶電壓增 =1.586選擇C=82nF,選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻R=9.09 K，Rf=2.55 K。要使A0=15,則還須再接一個(gè)放大電路，使得一級(jí)輸出被放大9.43倍，則總增益達(dá)到15左右。2.3 二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器是為了使輸出電壓在高頻段以更快的速度下降，改善濾波效果，在一階低通濾波器的基礎(chǔ)上再加上一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)仿真電路如圖：圖2 二階有源低通濾波器仿真模擬電路圖 Multisim環(huán)境下，創(chuàng)建上圖所示電路，啟動(dòng)仿真按鈕，改變輸入電壓，觀察輸出電壓的幅頻特性變化，并截圖。 第三章 結(jié)果與分析 圖3 二階有源低通濾波器仿真波形圖（1） 分析上圖知電路的截止頻率在989HZ左右，與題目要求稍微有點(diǎn)偏差，這是由于電阻和電容的設(shè)置存在偏差及兼顧通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的范圍之內(nèi)。圖4 二階有源低通濾波器仿真波形圖（2）所加輸入信號(hào)的有效電壓Vi=120mv,波形入Channel-A所示;輸出電壓波形入Channel-B所示，其最大電壓約為2.570V，故輸出電壓的有效電壓值Uo=2.570 x 0.707 =1816.99(mv);由以上分析知通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)A0=Uo/Vi=15.14,和題目要求存在極小偏差，在誤差允許的范圍之內(nèi)。 綜上所分析得知我組所設(shè)計(jì)的二階有源低通濾波器仿真模擬電路圖符合題目要求，是正確的。 第四章 心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這么久的查找與仿真，我學(xué)到了很多的東西。在一開始拿到題目后，要如何的根據(jù)要求和功能選擇濾波器，之后如何的選擇設(shè)計(jì)方法。模擬濾波器的設(shè)計(jì)理論是很成熟的，雖然我在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程里面上了理論課，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)的選取、匹配非常的棘手，于是我運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理課上學(xué)的濾波器設(shè)計(jì)方法來(lái)，這樣問(wèn)題便容易了。但是在仿真的時(shí)候，我們?cè)瓉?lái)設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器并不理想，在不該衰減的頻率上就衰減了，通帶非常不理想，和理論計(jì)算的結(jié)果相差很大，于是就改做有源的。在模電書上，找到了二階有源低通的電路圖，雖然和巴特沃斯的設(shè)計(jì)方法不一樣，但卻可以得到類似的理論結(jié)果。由于很久都沒(méi)有使用MULTISIM仿真，以致連最基本的調(diào)試都忘記，軟件和理論知識(shí)是一樣的，久了不去實(shí)踐就會(huì)忘記，就像學(xué)過(guò)的MATLAB，PROTEL，再次體會(huì)到大學(xué)不是來(lái)消遣的，而是來(lái)學(xué)知識(shí)，用知識(shí)的。參考文獻(xiàn)1童詩(shī)白華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，2007年2高西全丁玉美數(shù)字信號(hào)處理西安：西安電子科技大學(xué)，2008年3朱達(dá)群. 施圍著電子電氣電路仿真北京：中國(guó)電力出版社， 20094鄭君里信號(hào)與線性系統(tǒng)分析北京：高等教育出版社，2000 附錄 芯片資料產(chǎn)品型號(hào)：LM324N LM324是由四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路。它設(shè)計(jì)在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動(dòng)化及光、機(jī)、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)如下：具有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；單電源3V30V，雙電源1.5V15V 內(nèi)含相位校正回路, 外圍元件少消耗電流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=)輸入失調(diào)電壓低:2mV (典型值) 電壓輸出范圍寬：0V Vcc1.5V 共模輸入電壓范圍寬：0V Vcc1.5V封裝形式：DIP14 圖5 LM32