畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）RC有源濾波器設(shè)計(jì)

1、前言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬電子技術(shù)已經(jīng)成為一門應(yīng)用范圍極廣，具有較強(qiáng)實(shí)踐性的技術(shù)基礎(chǔ)課程。電子電路分析與設(shè)計(jì)的方法也發(fā)生了重大的變革，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，更好的將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，以適應(yīng)電子技術(shù)飛速的發(fā)展形勢(shì)，我們必須通過對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的理解，從而進(jìn)一步提高我們的實(shí)際動(dòng)手能力。濾波器在日常生活中非常重要，運(yùn)用非常廣泛，在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種濾波器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的濾波器與其他濾波器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。濾波器

2、在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。現(xiàn)在我們通過對(duì)濾波器器的原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠低通、高通、帶寬、阻帶等多種形式的濾波器。我們通過對(duì)電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最合適本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟(jì)、最方便、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案選擇具體的元件，焊接出具體的實(shí)物，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)事物進(jìn)行調(diào)試，觀察效果是否與課題要求的性能指標(biāo)作對(duì)比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。 設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)rc有源濾波器的設(shè)計(jì)方法；2、由濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)；3、設(shè)計(jì)二階rc有源濾波器(低通、高通、帶通)；4、掌握有源濾波器的測(cè)試方法；5、測(cè)量有源濾波器的幅

3、頻特性。二、設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)1、技術(shù)指標(biāo)(1) 低通濾波器：通帶增益auf=2；截止頻率fh =2000hz；ui=100mv；阻帶衰減：不小于-20db/10倍頻；(2) 高通濾波器：通帶增益auf=5；截止頻率fl =100hz；ui=100mv；阻帶衰減：不小于-20db/10倍頻；(3) 帶通濾波器：通帶增益auf=2；中心頻率：fo =1khz；ui=100mv；阻帶衰減：不小于-20db/10倍頻。2、設(shè)計(jì)要求（1）分別設(shè)計(jì)二階rc低通、高通、帶通濾波器電路，計(jì)算電路元件參數(shù)，擬定測(cè)試方案和步驟；（2）在面包板或萬(wàn)能板上安裝好電路，測(cè)量并調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)；（3）測(cè)量技術(shù)指標(biāo)參數(shù)；（

4、4）測(cè)量有源濾波器的幅頻特性并仿真；（5）寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)報(bào)告要求1、列出設(shè)計(jì)步驟，畫出電路，標(biāo)出元件數(shù)值；2、比較實(shí)測(cè)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求指標(biāo)；3、列出測(cè)試數(shù)據(jù)表格；4、分析有源濾波器的幅頻特性5、進(jìn)行仿真。四、設(shè)計(jì)思考與總結(jié)1、總結(jié)rc有源濾波器的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)用到的主要知識(shí)點(diǎn)；2、總結(jié)濾波器主要參數(shù)的測(cè)試方法；3、對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。目 錄第1章 rc有源濾波器設(shè)計(jì).61.1 總方案設(shè)計(jì).61.1.1 方案框圖.61.1.2 子框圖的作用.61.1.3 方案選擇.61.2 單元電路設(shè)計(jì).81.2.1 原理圖設(shè)計(jì).81.2.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù).91.2.3 已知條件與設(shè)計(jì)步驟

5、.101.3 元件參數(shù)的計(jì)算.131.3.1 二階低通濾波器.141.3.2 二階帶通濾波器.141.3.3 二階高通濾波器.151.4 元器件選擇.151.5 工作原理.15第2章 ewb仿真分析.172.1 ewb電路圖.172.2 ewb仿真分析.192.3 結(jié)果分析.222.3.1 觀測(cè)幅頻特性.222.3.2 理論值計(jì)算及分析.23第3章 電路板的制作.263.1 繪制pcb原理圖.263.2 制作pcb板.28第4章 結(jié)束語(yǔ).29附錄.30附錄i. 總電路圖.30附錄ii. 元件清單.32附錄iii. pcb圖.33參考文獻(xiàn).34 第1章 rc有源濾波器設(shè)計(jì)1.1總方案設(shè)計(jì)1.1.

6、1方案框圖 rc網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器 圖1.1.1 rc有源濾波總框圖1.1.2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(duì)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(jí)。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。1.1.3方案選擇 濾波器在通信測(cè)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

7、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(chǎng)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(jiǎn)單的級(jí)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。

8、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(jiǎn)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(jiǎn)單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)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(jí)數(shù)選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)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

9、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(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)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(jí)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(duì)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

10、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(duì)應(yīng)關(guān)系f(110)hz（10102）hz（102

11、103）hz（110）khz（10103）khz （102103）khzc(2010)f（100.1）uf（0.10.01）uf（104103）pf（103102）pf（10210）pf 1.2單元電路設(shè)計(jì)1.2.1. 原理圖設(shè)計(jì)1. 低通濾波器 圖1.2.1.1低通濾波器電路圖2 高通濾波器 圖1.2.1.2 高通濾波器電路圖3 帶通濾波器 圖1.2.1.3 1.2.2 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

12、為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，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。 （a）二階低通濾波電路 （b）二階高通濾波電路（c）二階帶寬濾波電路圖1.2.2 二階有源濾波器電路圖表1.2.2 二階rc濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)低通a(s)=avc2/(s2+cs/q+c2)高通a(s)=avs2/(s2+cs/q+c2)帶通a(s)=av02s/q(s2+cs/q+c2)1.2.3已知條件與設(shè)計(jì)

13、步驟 1 已知條件 已知濾波器的響應(yīng)、濾波器的電路形式、濾波器的類型、濾波器的性能參數(shù)fc,q,bw或av 。2 設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)截止頻率，從表1.1.3中選定一個(gè)電容c的標(biāo)稱值，使其滿足k=100/fcc (如帶通k=100/f0c)。（ 1.2.3）注意：k不能太大，否則會(huì)使電阻的取值較大，從而使引入增加，通常取1k10。（2）從設(shè)計(jì)表中查處與av對(duì)應(yīng)的電容值及k=1時(shí)的電阻值。再將這些阻值乘以參數(shù)k，的電阻的設(shè)計(jì)值。（3）實(shí)驗(yàn)調(diào)整并修改電容、電阻值，測(cè)量濾波器的性能參數(shù)，繪制幅頻特性。表1.2.3 電路設(shè)計(jì)表（a）二階低通濾波器設(shè)計(jì)表性能參數(shù)c2=1/(r1r2cc1)q=0.707a

14、v=1+r4/r3(av2時(shí)電路穩(wěn)定)設(shè)計(jì)表電路元件值av 1 2 4 6 8 10r1 1.422 1.126 0.824 0.167 0.521 0.462r2 5.399 2.250 1.537 2.051 2.429 2.742r3 開路 6.752 3.148 3.203 3.372 3.560 r4* 0 6.752 9.444 16.012 23.602 32.039c1 0.33c c 2c 2c 2c 2c說明增益容易調(diào)整，輸入阻抗高，輸出阻抗低，運(yùn)放r110（r1+r2）, 輸入端到地要有一直流通路，在c處，運(yùn)放的開環(huán)增益至少應(yīng)是濾波器增益的50倍 阻為參數(shù)k=1時(shí)的值，單

15、位為k(a) 二階高通濾波器設(shè)計(jì)表性能參數(shù)c2=1/(r1r2cc1)q=0.707av=1+r4/r3(av2)設(shè)計(jì)表電路元件值av 1 2 4 6 8 10r1 1.125 1.821 2.592 3.141 3.593 3.985r2 2.251 1.391 0.977 0.806 0.705 0.636r3 開路 2.782 1.303 0.968 0.806 0.706 r4* 0 2.782 3.910 4.838 5.640 6.356說明要求運(yùn)放r1大于10倍r2、r3、r4的選取要考慮對(duì)失調(diào)影響，在c處，運(yùn)放的開環(huán)增益av0至少是濾波器增益的50倍 阻為參數(shù)k=1時(shí)的值，單位

16、為k (c) 二階帶通濾波器設(shè)計(jì)表 性能參數(shù)c2=1/(r2c)（1/r1+1/r3）q=0/bw或f0/bw(bw0.707幅頻特性會(huì)出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。在q=0.707情況下，當(dāng)f=fn時(shí)，20lg|au/auf|=-3db,即特征頻率fn就是濾波器的截止頻率,并且，q越大曲線越尖銳。(4) aumf=20lg(a0)-3 截止頻率f0已知。 2 分析（1）低通濾波器首先輸入信號(hào)vi=100mv,觀察濾波器的截止頻率fc及電壓放大倍數(shù)ao,測(cè)得數(shù)據(jù)如表2.3.1.1所示，基本滿足要求，由于參數(shù)的影響較大，故與設(shè)計(jì)表對(duì)比有很大的誤差。（2）高通濾波器在測(cè)高通濾波器時(shí)，其信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度隨頻率的

17、升高而下降，這時(shí)應(yīng)使vi=100mv不變。測(cè)的數(shù)據(jù)如表2.3.1.2（3）帶通濾波器電路的幅頻特性的衰減速率主要有電路的品質(zhì)因數(shù)q決定。測(cè)的數(shù)據(jù)如表2.3.1.3第3章 電路板的制作3.1繪制pcb原理圖1. 設(shè)置電路圖紙參數(shù)及相關(guān)信息2. 裝入所需的元件庫(kù)3. 放置元件4. 電路圖布線5. 調(diào)整、檢查和修改6. 補(bǔ)充完善7. 保存和打印輸出原理圖如下（a）二階低通濾波電路(b) 二階高通濾波電路(c)階帶寬濾波電路3.2制作pcb板1. 用油印紙打印原文件的pcb圖2. 根據(jù)需要選擇單面板還是雙面板(此設(shè)計(jì)用單面板即可)，根據(jù)pcb圖確定pcb板大小，用細(xì)砂紙將pcb板覆銅面打磨光亮，去除銅

18、銹，然后清洗干凈，以便油墨能夠順利覆上。3. 將印有pcb圖的油印紙反扣在清洗干凈后的pcb板覆銅面上，往油印紙上澆適量水，用加熱后的熨斗小心均勻熨燙，直至油印紙上的油墨完好的覆在銅面上，小心揭去油印紙。4. 配置適當(dāng)濃度的fecl3溶液，將覆有油墨的pcb板放入其中浸泡，直至油墨旁的銅層完全褪去。5. 取出pcb板，清洗干凈，用細(xì)砂紙小心打磨掉油墨，露出銅線層。6. 按pcb圖放置元器件管腳位置，選擇適當(dāng)?shù)男°@頭用打孔機(jī)打孔，直至所需打孔完畢。7. 放置元器件：確認(rèn)好元器件的管腳正負(fù)極性，按pcb圖放置元器件。8. 焊接：把所需焊接點(diǎn)全部焊好，焊接過程中，要保持焊接良好，防止脫焊、虛焊。第四章 結(jié)束語(yǔ)這次課程設(shè)計(jì)讓我弄懂了很多以前感覺模糊的東西，同時(shí)也帶給我成功的喜悅感，增加了我的自信心，當(dāng)我們看到由我們組成員共同設(shè)計(jì)的東西由想法變成實(shí)物時(shí)，我們的心里充滿了成功的喜悅感?；叵肫鸫舜握n程設(shè)計(jì)過程中組員間的分工協(xié)作，遇到不明白的問題時(shí)，共同討論分析，請(qǐng)教老師的過程，所有組員的努力都指向一個(gè)明確的目標(biāo)-確保課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成功，我真的很受感動(dòng)。此次課程設(shè)計(jì)不僅使我學(xué)會(huì)了不少東西，更讓我體會(huì)到人與人之間的溝通、團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作的樂趣，感謝此次課程設(shè)計(jì)過程中給予我們悉心