電子技術課程設計基于EDA軟件的帶通濾波器設計與仿真

1、西華大學課程設計說明書說明書 成績 課 程 設 計 說 明 書課程設計名稱： 電子技術課程設計 題 目：基于eda軟件的帶通濾波器 設計與仿真 學 生 姓 名： 專 業(yè)： 學 號： 指 導 教 師： 日期：2010年 7月 18 日1 前言1.1 mutisim multisim 是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于電路仿真與設計的eda軟件，又稱“虛擬電子工作臺” 。multisim 是在eba（electronics workbench）的基礎上發(fā)展起來的，很大程度地增強了軟件的仿真測試和分析功能，大大地擴充了元件庫中的仿真元件數(shù)量，是仿真設計更精確、可靠在電子設計領域，eda設計和

2、仿真是一個十分重要的設計環(huán)節(jié)。眾多的eda設計和仿真軟件中，multisim 以其強大的仿真設計應用功能，在各高校電信類專業(yè)電子電路的仿真設計中得到了較廣泛的應用。multisim 及其相關庫的應用對提高科研人員和學生的仿真設計能力，更新設計理念有較大的幫助。multisim 軟件最突出的特點是用戶界面友好，各類器件和集成芯片豐富，尤其是其直觀的虛擬儀表是multisim的一大特色。multisim 所包含的虛擬儀表有：示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、波特圖圖示儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀、網(wǎng)絡分析儀等。而通常一個普通和實驗室是無法提供這些設備的。這些以其的使用使仿真分析的操作更符合平

3、時實驗的習慣。本文以multisim 為仿真設計平臺，利用界面直觀的原理圖設計工具完成電路設計，贏使用提供的各種仿真一起深入分析帶通濾波器電路。1.2 濾波器的基本概念 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。主要作用是：讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號。濾波器的分類：按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種，按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種，按所

4、通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，按濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。濾波器的設計：濾波器特性可以用其頻率響應來描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等。用來說明濾波器性能的技術指標主要有：1.中心頻率f0，即工作頻帶的中心2.帶寬bw3.通帶衰減，即通帶內(nèi)的最大衰減 4.阻帶衰減對于實際濾波器而言，考慮到實際的組成元件的品質(zhì)因數(shù)的取值是一有限值（因為受限于材料與工藝的水平），所以所有工程上的實用濾波器都是有損濾波器，因此對于這些濾波器還應考慮通帶內(nèi)的最小插入衰減?，F(xiàn)代濾波器設計，多是采用濾波器變換的方法加以實現(xiàn)。主要

5、是通過對低通原型濾波器進行頻率變換與阻抗變換，來得到新的目標濾波器。1.3 帶通濾波器的基本原理 帶通濾波器（band-pass filter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如rlc振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。 一個理想的帶通濾波器應該有平穩(wěn)的通帶（bandpass,允許通過的頻帶），同時限制所有通帶外頻率的波通過。但是實際上，沒有真正意義的理想帶通濾波器。真實的濾波器無法完全過濾掉所設計的通帶之外的頻率的波。事實上，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過濾，這一曲線被稱做滾降斜率(roll-off)。滾降斜率通常用db度量來表示頻率的衰減程度。一般情況下，

6、濾波器的設計就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美通帶的設計。1.4濾波器的設計方法 濾波電路是頻率選擇電路，只允許頻帶內(nèi)頻率的信號通過，則按通帶區(qū)分，濾波器又可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種。由于高通、帶通和帶阻濾波器的傳遞函數(shù)都能經(jīng)過頻率變換從低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)求得，所以我們把低通濾波器稱為原型低通濾波器。不論涉及任何濾波器，我們都是先把該種濾波器的技術要求轉(zhuǎn)變到相應的低通濾波器的技術要求，然后設計低通濾波器得到轉(zhuǎn)移函數(shù)，最后再經(jīng)過頻率變化把低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)換到所求的濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。涉及濾波器的任務是力求向理想特性逼近。2總體方案設計2.1方案比較方案

7、1 ：無源帶通濾波器 圖（1）無源帶通濾波器電路電路構成：主要由電阻電容構成。 方案2 ：有源帶通濾波器 有源濾波器可以根據(jù)階數(shù)不同分，但是總體框圖如下所示：非線性負載電源 接口電感 或變壓器 開關模式 功率輸出 系統(tǒng)參量 接口 檢測單元 選通信號 發(fā)生器 補償 變量 控制信號 中央控制 參考量 參考量 單元 估算單元 圖（2）有源濾波器的基本框圖電路構成：主要由電源、電阻電容以及運算放大器這三個部分構成。 （圖3） 二階有源帶通濾波器電路 高通低通串聯(lián) （圖4）帶通濾波器框圖圖3所示為二階有源帶通濾波器，而圖4所示為有源低通和高通直接串聯(lián)所得。雖然都是帶通濾波器，但是他們的影響因數(shù)卻大有不同

8、。2.2 方案論證 無源濾波器：僅由無源元件(r、l 和c)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感l(wèi)較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。有源濾波器：由無源元件(一般用r和c)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(

9、由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。而在有源濾波器的圖三二階帶通和圖四的由低通和高通直接串聯(lián)進行比較，對于參數(shù)的影響圖四的更有利。但是，無源濾波電路只是由電阻、電感、電容組成，無源濾波電路的應用受到許多限制；有源濾波電路是使用了理想運算放大器的濾波電路，相比無源濾波器有很多優(yōu) 點，例如有源濾波器不用電感就能形成帶通和帶阻濾波器，因電感通常較為笨重，且磁場會影響期望的頻率響應特性；再者無源濾波器沒有放大的能力，而有源濾波 器能對幅值進行控制放大；最后，無源濾波器的截止頻率和通帶

10、幅值有負載效應，但有源濾波器克服了這個缺陷。而且，無源濾波器的缺點也是非常明顯的：1）因為一般都是濾除次數(shù)較低的諧波，要求元件的參數(shù)較大，較笨重；2）電源的阻抗特性會直接影響到濾波器的補償特性，為了達到較好的補償效果，通常需要對所補償?shù)南到y(tǒng)進行分析計算并實際測量，專門進行設計才能達到；3）系統(tǒng)頻率偏移會嚴重影響濾波特性，若想在較寬的系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)都能達到滿意的效果，則要用較復雜的設計，系統(tǒng)將會異常復雜和龐大；4）在系統(tǒng)設計中要充分考慮諧振問題，避免造成系統(tǒng)損壞。當無源濾波器的使用受到上述問題制約時，有源濾波器便顯示出了它的優(yōu)勢。2.3方案選擇基于以上的方案比較以及方案論證和我們組的具體情況，我

11、們決定采取更具有優(yōu)勢的第二種方案，即設計一個有源帶通濾波器電路。具體的有源帶通濾波電路的參數(shù)如下。要求：1）信號通過頻率范圍f在100hz至10khz；2）濾波電路在1khz的幅頻響應必須在1db范圍內(nèi)，而在100hz至10khz濾波電路的幅頻衰減應當在1khz時值的3db范圍內(nèi)；3）在10hz時幅頻衰減應為26db，而在100khz時幅頻衰減應至少為16db。分析：這是一個通帶頻率范圍約為100hz10khz的帶通濾波電路，在通帶內(nèi)我們設計為單位增益。根據(jù)所設計的電路要求，在頻率低端f=10hz時，幅頻響應至少衰減26db,在頻率高端f=100khz時，幅頻響應要求衰減不少于16db。因此可

12、以選擇一個二階低通濾波電路的截止頻率fh=10khz，一個二階高通濾波電路的截止頻率fl=100hz，有源器件采用運放cf4129(lf412)，將這兩個濾波電路串聯(lián)起來就構成了所要求的帶通濾波電路。3.單元模塊電路設計3.1低通模塊 圖（3） 二階有源低通濾波電路 圖中，r1=r2 =r ，c1=c2=c ，rf = r4 =(avf -1)r3 , 此電路是有兩節(jié)rc濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。而同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即 a0 = avf= 1+(avf -1) r1/ r1。 對于低通濾波電路，其理想的幅頻響應如下圖所

13、示，圖中a0表示低頻增益，|a|為增益的幅值。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止角頻率h 的低頻信號，對大于h的所有頻率則給予衰減，因此其帶寬bw =h/2。 |a| a0 通帶 阻帶 0 l 圖（4） 低通濾波電路理想的幅頻響應3.2 高通模塊 圖（5） 二階有源高通濾波電路 圖中，r1=r2 =r ，c1=c2=c ，rf = r4 =(avf -1)r3。將二階有源低通濾波電路中的r和c位置互換，則得到此有源高通濾波電路。對于高通濾波器，其理想的幅頻響應如下圖所示。由圖可以看到，在0l 范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于l的頻率為通帶。從理論上來說，它的寬帶，但實際上，由于受有源器件和外接元件

14、以及雜散參數(shù)的影響，寬帶受到限制，高通濾波的寬帶也是有限的。 |a| a0 . 阻帶 通帶 0 l 圖（6） 高通濾波電路理想的幅頻響應3.3 帶通模塊 |a| 低通 0 h |a| 高通 0 l |a|高通低通 vi vo 帶通 （a） 0 l （b） 圖（7） 帶通濾波電路構成示意圖 （a）原理框圖 （b）理想的幅頻響應 圖（8） 帶通濾波器電路此電路為由低通和高通兩級串聯(lián)的帶通濾波電路。1）對電路的基本分析：根據(jù)題目的要求，經(jīng)過分析我們可以用一個二階低通濾波電路的截止頻率fh=10khz，一個二階高通濾波電路的截止頻率fl=100hz，有源器件采用運放cf4129(lf412)，將這兩個

15、濾波電路串聯(lián)如圖（8）所示，就構成了所要求的帶通濾波電路。經(jīng)查資料我們找到了二階巴特沃思濾波器的avf1=1.586，因此，由兩級串聯(lián)的帶通濾波電路的通帶電壓增益avf1=（1.586）2.515，由于所需要的帶通增益為0db，因此在低通濾波器輸入部分加入了一個由電阻r1、r2組成的分壓器。2）元件的參數(shù)選擇和計算：在選用元件時，應當考慮由于元件參數(shù)值誤差對傳遞函數(shù)存在影響?，F(xiàn)規(guī)定選擇電阻值的容差為1%，電容值的容差為5%。由于每一電路包含若干個電阻器和兩個電容器，預計實際截止頻率可能存在較大的誤差（也許是10%）。為確保在100hz和10khz處的衰減不大于3db。現(xiàn)以額定截止頻率90hz和

16、11khz進行設計。在運放電路中的電阻不宜選擇過大或過小。一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此，選擇低通級電路的電容值為1000pf，高通級電路的電容值為0.1uf。由算得r3=14.47k，現(xiàn)選擇標準電阻值r3=14k。對于高通級可作同樣的計算。由于已知c=0.1uf和fl=90hz，可求得r7=r818k?？紤]到已知avf1=1.568，同時盡量要使運放同相輸入端和反相輸入端對地的直流電阻基本相等，現(xiàn)選擇r5=68k,r10=82k,由此可計算出r4=（avf1-1）r539.8k,r9=（avf1-1）r1048k，其容差為1%。設計完成的電路如圖（8）。信號源vi通過r1和r2進行衰減，

17、它的戴維寧電阻是r1和r2的并聯(lián)值，這個電阻應當?shù)扔诘屯夒娮鑢3（=14k）。因此有=14k（公式1）。由于整個濾波電路通帶增益是電壓分壓器比值和濾波器部分增益的乘積，且應等于單位增益，故有（公式2），聯(lián)解公式1和公式2，并選擇容差為1%的額定電阻值，得r1=35.7k和r2=23.2k。3.4 電源模塊 vi 整流 濾波 穩(wěn)壓 v0 圖（9） 電源框圖 圖（10） 電源電路圖在整流電路之前我們需要用到變壓器將電網(wǎng)供給的220v電壓變成整流電路所需要的交流電壓。由整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓，再濾波電路濾去整流輸出電壓中的紋波，最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路得到我們所需要的5v電壓。在穩(wěn)壓

18、電路中我們采用了集成器件7805和7905。4系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)我們所選擇的設計方案，將設計的原理電路圖進行仿真，在運放電路中的電阻不宜選擇過大或者太小，一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此，選擇低通級電路的電容值為1000pf，高通級電路的電容值為0.1uf。然后又式 ，可以計算出精確的電阻值。對于低通級，由于已知c=1000pf和 =11khz ，由于算得=14.47k現(xiàn)選擇標準電阻值=14.0k。對于高通級也做同樣的計算。由于已知c=0.1uf和=90hz，可求得?？紤]到已知,同時盡量要使運放同向輸入端和反向輸入端對地的直流電阻基本相等，現(xiàn)選擇。由此可以計算出，其容差為1。設計完成的仿真圖如圖

19、11所示，信號源通過進行衰減，它的戴維寧電阻是的并聯(lián)值，這個應當?shù)扔诘屯夒娮?。因此，?14k 由于整個濾波電路通帶增益是電壓分壓器比值和濾波器部分增益的乘積，且應等于單位增益，故有， 聯(lián)解上面兩式，并選擇容差為1的額定電阻值，得。由此可以得到所有電阻和電容參數(shù)，并將計算結果帶入可以得到如下仿真圖： 圖（11）根據(jù)仿真圖可以看出，這些元件的參數(shù)搭配所得帶通不滿足我們設計的要求，該圖在100hz、10hz和100khz時的的幅頻衰減都大于了我們的要求，由此可以推斷出，在高通和低通部分的參數(shù)選擇不合理，根據(jù)高通和低通的原理，現(xiàn)在將高通和低通部分的參數(shù)進行修改以便能夠滿足要求。 （圖12） 根據(jù)修

20、改參數(shù)后的仿真圖可以看出，現(xiàn)在的圖達到了我們所要設計的帶通寬度，同時在10hz時幅頻衰減為26d b ,但是該圖在100khz時的衰減大于了16d b,說明在修改的低頻參數(shù)的電阻、電容值的搭配還不完全合理，應該使得低通的衰減速度慢些。以此為改變參數(shù)的依據(jù)來調(diào)整r、c的大小。根據(jù)設計要求和調(diào)整結果，可得到我們所要設計的電路仿真圖，如下所示： 圖（13） 5設計總結 在本次設計過程中遇到了不少問題，在陳海川老師的指導幫助下才順利的完成了本次課程設計，在此表示衷心的感謝。本次課程設計是對所學的模擬電子技術基礎和數(shù)字電子技術基礎以及電工電子技術實驗的高度總結與應用，在設計的過程中遇到了很多問題，這些問

21、題都是該在學習的過程中發(fā)現(xiàn)的，但是從來也沒有想過這些問題，直到真正需要將理論所學的應用在實踐中的時候，才明白了對于技術這樣一門課程，實踐是多么的重要，而且理論上的東西大多的理想化的，就像我們這次的課程設計一樣，在根據(jù)理論的原理和公式來計算電阻、電容值的時候，原本以為這樣計算出來就能夠達到我們所要求的標準了，沒想到，按照計算的數(shù)值一點不差的帶入元件參數(shù)，仿真出來的結果卻出乎了自己的意料，這下不知所措了，也不知道是自己哪里算錯了，還是自己的思維就錯了，公式用錯了，想來想去也想不明白，而且感覺心里特別不舒服，去問問懂的同學吧！這下好了，問的結果很意外，他說：“書上很多都是不被實踐所證明的，在理論設計和計算的過程中，根本沒有考慮到元件之間的影響和元件本身存在的精度誤差這一切的小影響都會換來結果上的差異，你可以根據(jù)設計要求和現(xiàn)在仿真圖所存在的差異來修改不滿足部分的元件參數(shù)，從新找到要達到設計要求，而在實際電路中電阻和電容的最佳匹配參數(shù)?！甭牭竭@樣的話，感覺真是不錯，接下來在不斷修改參數(shù)，不斷得帶越來越接近自己設計要求的波形時，好有成就感，自己做出了一個東西，不是理論的而是實實在在的。但是，頭腦里同時也思考著這樣一個問題：雖然理論是實踐的基礎，但是我們現(xiàn)在所學的東西全是理論上的，到底有多少能夠在實踐中完全成立呢？想到這些