575203483畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）RC有源濾波器的設(shè)計(jì)

1、河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目rc有源濾波器的設(shè)計(jì)系 別機(jī)電工程系專 業(yè)電子測量技術(shù)與儀器班 級08電測班學(xué)生姓名學(xué) 號指導(dǎo)教師定稿日期2011年3月10日 河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專業(yè)班級08級電子測量技術(shù)與儀器姓名學(xué)號指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)（論文）題目rc有源濾波器的設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容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試方法；5、測量有源濾波器的幅頻特性。主要技術(shù)指標(biāo)或研究目標(biāo)1、 低通濾波器：通帶增益auf=2；截止頻率fh =2000hz；ui=100

2、mv；阻帶衰減：不小于-20db/10倍頻；2、 高通濾波器：通帶增益auf=2；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?；疽?、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)，擬定測試方案和步驟；2、測量技術(shù)指標(biāo)參數(shù)；3、測量有源濾波器的幅頻特性并仿真；4、寫出設(shè)計(jì)報告。主要參考資料及文獻(xiàn)1.謝自美電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試華中科技大學(xué)出版社；2.鄭學(xué)峰模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)西安電子科技大學(xué)出版社；3.楊志忠數(shù)字電子技術(shù)高

3、等教育出版社；4.顧濱 趙偉軍protel99se實(shí)用教程人民郵電出版社。摘要隨著計(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，我們必須通過對本次課程設(shè)計(jì)的理解，從而進(jìn)一步提高我們的實(shí)際動手能力。濾波器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過對濾波器的原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個能夠低通、高通、帶寬、阻帶等多種形式的濾波器。通過對電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最合適本課題的方案。關(guān)鍵詞：低通、高通、帶寬、阻帶濾波器 ewb

4、仿真分析 abstractwith the development of computer technology, analog electronic technology has become one of the applied range, with strong practical technical foundation course. electronic circuit analysis and design method also there are major changes, in order to cultivate students practice ability,

5、better to combine theory with practice, in order to adapt to electronic technology rapid development situation, we must pass on this course design, so as to further improve the understanding of our practical ability. filters in circuit experiment and test equipment in a very wide range of purposes.

6、now we based on the principle of filter and structural design a can lowpass, qualcomm, bandwidth, stopband, and other forms of filter. we through to circuit analysis, parameter is determined that gives a kind of the most appropriate choice of this topic scheme. in achieving subject the precondition

7、of guarantee the most economical, the most convenient and optimization design strategies. keywords：low pass, qualcomm, bandwidth, the stopband filter electronic workbench simulation analysis 目錄摘要3abstract4第1章 rc有源濾波器設(shè)計(jì)71.1總方案設(shè)計(jì)框圖71.1.1框圖的作用71.1.2方案選擇81.2單元電路設(shè)計(jì)91.2.1原理圖設(shè)計(jì)91.2.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)101.2.3已知

8、條件與設(shè)計(jì)步驟121.3元件參數(shù)的計(jì)算151.3.1二階低通濾波器151.3.2二階高通濾波器151.3.3二階帶通濾波器161.4 工作原理161.5 元器件選擇16第2章ewb仿真分析172.1 ewb軟件介紹172.2 二級rc有源高通濾波器的仿真192.3 二級rc有源帶通濾波器的仿真202.3結(jié)果分析212.3.1觀測幅頻特性212.3.2 理論值計(jì)算及分析22第3章 電路板的制作243.1繪制pcb原理圖24致謝27附錄 總電路圖28附錄 元件清單30附錄 pcb圖31參考文獻(xiàn)32 第1章 rc有源濾波器設(shè)計(jì)1.1總方案設(shè)計(jì)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

9、框圖1.1.1框圖的作用1rc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，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 將輸出信號的一部分或全部通過電路印象輸入端，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。1.1.2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。一個理想的濾波器應(yīng)在要求的通帶內(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

10、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，輸出電阻低，所以能提供一定的信號增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為103hz106hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10105）/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（沒有特殊的說明時一般為-3

11、db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，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

12、衰減。多級濾波器串接時傳輸函數(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，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)增益應(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aefh為濾波通帶的傳輸系數(shù)。 如果濾波器的輸入信號較小，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

13、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

14、)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 帶通濾波器電路圖 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)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號，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，它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾

15、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平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動時，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)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

16、參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)表中查出與av對應(yīng)的電容值及k=1時的電阻值。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=0.707av=1+r4/r3(av2時電路穩(wěn)定)設(shè)計(jì)表電路元件值av 1 2 4 6 8 10

17、 r1 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倍電阻為參數(shù)k=1時的值，單位為k(b) 二階高通濾波器設(shè)計(jì)表性能參數(shù)c2=1/(r1r2cc1)q=0.70

18、7av=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倍電阻為參數(shù)k=1時的值，單位為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/r

19、3）q=0/bw或f0/bw(bw0.707幅頻特性會出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。在q=0.707情況下，當(dāng)f=fn時，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vi=100mv,觀察濾波器的截止頻率fc及電壓放大倍數(shù)ao,測得數(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)表對比有很大的誤差。（2）高通濾波器在測高通濾波器時，其信號發(fā)生器的輸出幅度隨頻率的升高而下降，這時應(yīng)使vi=100mv不變。測的數(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3.放置元件4.電