二階有源濾波器的設(shè)計(jì).doc

西安文理學(xué)院物理與機(jī)械電子工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告專業(yè)班級 09級電子信息工程1班 課 程 模擬電子技術(shù) 題 目 二階有源濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué) 號(hào) 08101090139 學(xué)生姓名 袁盼 指導(dǎo)教師 魏 坤 目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2二、設(shè)計(jì)方案3 2.1 總方案設(shè)計(jì) 3 2.1.1 方案框圖 3 2.1.2 子框圖的作用 32.1.3 方案選擇 3三、設(shè)計(jì)原理與電路5 3.1 單元電路的設(shè)計(jì) 5 3.1.1 原理圖設(shè)計(jì) 5 3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù) 6 3.2元件參數(shù)的計(jì)算 8 3.2.1 二階低通濾波器 8 3.2.2 二階高通濾波器 9 3.2.3 二階帶通濾波器 9 3.3 元器件選擇 9 3.4 工作原理10四、電路的組裝與調(diào)試 11 4.1 MultiSim電路圖 11 4.2 MultiSim仿真分析13五、設(shè)計(jì)心得 16附 錄16附錄 元件清單 17附錄 Protel原理圖 17參 考 文 獻(xiàn)18一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名 袁盼 專業(yè)班級 電子信息工程 學(xué) 號(hào) 08101090139 指導(dǎo)教師 魏 坤 職稱 講師 教研室 電子信息工程_ 課 程 模擬電子技術(shù) 題 目 二階有源濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 時(shí)間 2012.11.19-2012.11.30一、任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)：有源濾波器是由有源元件和無源元件(一般是R和C)共同組成的電濾波器，和無源濾波器相比，它的設(shè)計(jì)和調(diào)整過程較簡便，此外還能提供增益。本課程設(shè)計(jì)選擇二階有源濾波器作為主要研究對象。自已設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用Matlab或其他仿真軟件進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)要求：1. 設(shè)計(jì)電路圖，確定前置放大電路，有源濾波電路，功率放大電路的方案，并使用相應(yīng)繪圖軟件畫出設(shè)計(jì)電路，包括低通、高通和帶通；2. 所設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)；3. 根據(jù)給定要求和電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)；4. 用Matlab或其他仿真軟件對濾波器進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果。二、設(shè)計(jì)方案2.1 總方案設(shè)計(jì) 2.1.1方案框圖RC網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器 圖2.1.1 RC有源濾波總框圖2.1.2子框圖的作用1、RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。2、放大器的作用 電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級。3、反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 將輸出信號(hào)的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。 2.1.3方案選擇濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻（通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-31010-5）/攝氏度，頻率精度為+（35）%，并可用簡單的級聯(lián)來得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時(shí)一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。1. 關(guān)于濾波器類型的選擇一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好2. 級數(shù)選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。3. 運(yùn)放的要求在無特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開環(huán)增應(yīng)在80dB 以上。對運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為Fh,則運(yùn)放的單位增益寬帶應(yīng)滿足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。 如果濾波器的輸入信號(hào)較小，例如在10mV以下，則選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100k，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。4. 元器件的選擇一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc (c)帶內(nèi)增益Av，以及品質(zhì)因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之?dāng)?shù)目，因此有許多個(gè)元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應(yīng)關(guān)系f(110)Hz（10102）Hz（102103）Hz（110）KHz（10103）KHz （102103）KHzC(2010)F（100.1）uF（0.10.01）uF（104103）pF（103102）pF（10210）pF 三、設(shè)計(jì)原理與電路3.1 單元電路的設(shè)計(jì) 3.1.1 原理圖設(shè)計(jì) 1. 低通濾波器低通濾波器是用來通過低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。如圖3.1.1.1（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖3.1.1.1（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。圖3.1.1.1 二階低通濾波器2. 高通濾波器高通濾波器用來通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。將圖3.1.1.1低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖3.1.1.2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系。圖3.1.1.2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。圖3.1.1.2 二階高通濾波器3. 帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成。如圖3.1.1.3（a）所示。本電路的優(yōu)點(diǎn)是改變Rf和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。圖3.1.1.3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。圖3.1.1.3 二階帶通濾波器 3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)，因受運(yùn)算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，根據(jù)要求我們僅研究低通、高通、帶通三種濾波器。它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動(dòng)時(shí)，用巴特沃斯響應(yīng)較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，則切比雪夫響應(yīng)較好。1. 濾波器的傳輸函數(shù)表3.1.2.1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)低通電壓增益低、高通濾波器的截止角頻率帶通的中心角頻率BW帶通濾波器的帶寬高通帶通2. 單元電路性能參數(shù)（1） 低通濾波器 二階低通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。（2） 高通濾波器 二階高通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。（3）帶通濾波器 通帶增益 中心頻率 通帶寬度 選擇性 3.2元件參數(shù)的計(jì)算 3.2.1 二階低通濾波器 二階低通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為C2/（CC1RR1） (3.2.1.1)Q=0.707C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (3.2.1.2)AV=1+R4/R3 (3.2.1.3) 3.2.2 二階高通濾波器二階高通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為C2/（CC1RR1） (3.2.2.1)Q=0.707C /Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (3.2.2.2)AV=1+R4/R3 (3.2.2.3) 3.2.3 二階帶通濾波器二階帶通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為C2(1/R1+1/R3)/R2C2 (3.2.3.1)Q=0/BW (3.2.3.2)AV=1+R4/R5(AV2) (3.2.3.3) 3.3 元器件選擇電阻的選擇 根據(jù)參數(shù)計(jì)算得的結(jié)果和市場上所出售的請況而選擇，見附錄清單。電容的選擇 根據(jù)電阻的確定和規(guī)定的截止頻率而選擇，見附錄清單。運(yùn)放的選擇 本電路選擇了八管腳的UA741單運(yùn)放。其管腳圖如下，圖3.2.1 Ua741管腳圖圖3.2.2 uA741 內(nèi)部原理圖 3.4 工作原理濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時(shí)抑制無用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運(yùn)算放大器、電容和電阻可構(gòu)成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負(fù)載能力。由于受到集成運(yùn)算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號(hào)能通過而高頻信號(hào)不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號(hào)能通過而該頻段之外的信號(hào)不能通過的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過。四、 電路的組裝與調(diào)試MultiSim軟件介紹Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿真實(shí)驗(yàn)和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)模混合電路和部分強(qiáng)電電路的仿真、分析和設(shè)計(jì)。Multisim是一種優(yōu)秀而易學(xué)的WDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點(diǎn)就是提供了一個(gè)操作簡便且與實(shí)際相似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。他幾乎能對”電子技術(shù)”課程中所有基本電路進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)過程和儀器操作方法與實(shí)際相似，但比實(shí)際方便、省時(shí)。他還能進(jìn)行實(shí)際無法或不便進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容，通過儲(chǔ)存和打印等方法可精確記錄器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實(shí)際工作狀態(tài)和性能。應(yīng)用Multisim，便于實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊練的教學(xué)模式，使“電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)變得更有趣而容易。4.1 MultiSim電路圖 1.二階低通濾波器圖4.1.1二階低通濾波電路2. 二階高通濾波器圖4.1.2二階高通濾波電路3.二階帶通濾波器圖4.1.3二階帶通濾波電路5. 總濾波電路4.2 MultiSim仿真分析分析結(jié)果圖 1. 二階低通濾電路圖4.2.1（a）圖4.2.1（b）2. 二階高通濾電路圖4.2.2（a）圖4.2.2（b）3. 二階帶通濾電路圖4.2.3（a）圖4.2.3（b）五、 設(shè)計(jì)心得 本次課程設(shè)計(jì)是二階有源濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),由我們四個(gè)集體完成，此次課程設(shè)計(jì)將理論和實(shí)踐相結(jié)合。通過這次的課程設(shè)計(jì)拓寬了自己對模擬電子技術(shù)這門課的認(rèn)識(shí)，也增強(qiáng)了我的動(dòng)手操作能力，也鍛煉了自己的實(shí)踐能力，在此過程中我們采用了仿真和制板軟件Multisim和Altium Designer。自已設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成了低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用Matlab或其他仿真軟件進(jìn)行仿真，所設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)，根據(jù)給定要求和電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)。回想起此次課程設(shè)計(jì)過程中經(jīng)歷的種種困難，遇到不明白的問題時(shí)，與他人討論，查閱書籍的過程，所有的努力都指向一個(gè)