024109課程設(shè)計(jì) 無源濾波器的設(shè)計(jì)

1、長 沙 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)說明書題目無源濾波器電路設(shè)計(jì)系(部)電子與通信工程系專業(yè)(班級(jí))電氣工程及其自動(dòng)化一班姓名龍程學(xué)號(hào)2021024109指導(dǎo)教師龍 龍英、劉亮、陳希、馬凌云起止日期模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(3)系部：電子與通信工程系 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：劉亮課題名稱無源濾波器電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1. 技術(shù)參數(shù)1) 了解4種無源濾波器的功能，熟悉無源濾波器的構(gòu)造。2) 根據(jù)測試數(shù)據(jù)，簡要說明電路的工作原理及本電路能到達(dá)的實(shí)用功能；3) 采用Multisim軟件完成4種濾波器電路設(shè)計(jì)，要求仿真通過：a).低通濾波器 b).高通濾波器 c).帶通濾波器 d).帶阻濾波器2.

2、設(shè)計(jì)要求(1)求出所設(shè)計(jì)濾波器各參數(shù)：低通濾波器、高通濾波器：截止頻率。帶通濾波器、帶阻濾波器：中心頻率、帶寬、品質(zhì)因素。(2)計(jì)算并選擇電路元件及參數(shù)；(3)仿真調(diào)試電路；(4)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告及使用說明書。設(shè)計(jì)工作量1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)；2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真；3、在Multisim或同類型電路設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行仿真并進(jìn)行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計(jì)說明書，包括設(shè)計(jì)原理、仿真分析、調(diào)試過程，參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)總結(jié)等。進(jìn)度安排起止日期或時(shí)間量設(shè)計(jì)內(nèi)容或預(yù)期目標(biāo)備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計(jì)方案論證第三天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第四天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第五天編寫設(shè)計(jì)說明書教研室意見年 月 日系部主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月

3、 日長沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)題目指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師意見：評(píng)定等級(jí)： 教師簽名： 日期： 辯論小組意見：評(píng)定等級(jí)：辯論小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系部意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計(jì)成績分“優(yōu)秀、“良好、“及格、“不及格四類；目錄一無源濾波器的簡介4二無源濾波器原理與電路分析5三電路仿真61.1無源低通濾波器61.2無源高通濾波器81.3無源帶通濾波器101.4無源帶阻濾波器13四.設(shè)計(jì)心得與體會(huì)15參考文獻(xiàn)：1 彭介華，?電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)?，北京：高等教育出版社，1997；2 高桔祥，?電子技術(shù)根底實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)?，北京：電子工業(yè)出版社，20

4、05；3 童詩白，?模擬電子技術(shù)根底?，北京：高等教育出版社，1988；4 康華光，?電子技術(shù)根底模擬局部?，北京：高等教育出版社，20065 本課程教材一無源濾波器的簡介 無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或?qū)掖沃C波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波3、5、7構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。 無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動(dòng)諧波治理方法。無源濾波器的分類：無源濾波器主要可以分為兩大類：調(diào)諧濾

5、波器和高通濾波器。 調(diào)諧濾波器包括單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器，可以濾除某一次(單調(diào)諧)或兩次(雙調(diào)諧)諧波，該諧波的頻率稱為調(diào)諧濾波器的諧振頻率；高通濾波器也稱為減幅濾波器，主要包括一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和c型濾波器，用來大幅衰減低于某一頻率的諧波，該頻率稱為高通濾波器的截止頻率。 無源濾波器的開展歷程：1917年美國和德國科學(xué)家分別創(chuàng)造了LC濾波器，次年導(dǎo)致了美國第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的開展，濾波器開展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其

6、中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速開展；到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。二無源濾波器原理與電路分析 根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻止信號(hào)頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器LPF、高通濾波器HPF、帶通濾波器BPF、和帶阻濾波器BEF四種。圖分別為四種濾波器的實(shí)際幅頻特性的示意圖。濾波器是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)

7、絡(luò)，它允許某些頻率通常是某個(gè)頻率范圍的信號(hào)通過，而其它頻率的信號(hào)幅值均要受到衰減或抑制。這些網(wǎng)絡(luò)可以由RLC 元件或RC 元件構(gòu)成的無源濾波器，也可由RC 元件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器。濾波器的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)Hj，又稱為正弦傳遞函數(shù)。它可用下式表示： 式中A()為濾波器的幅頻特性，()為濾波器的相頻特性。它們均可通過實(shí)驗(yàn)的方法來測量。 低通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(a)所示，圖中|H(jC)|為增益的幅值，K為增益常數(shù)。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止頻率C的低頻信號(hào)，而對(duì)大于C的所有頻率那么衰減，因此其帶寬B=C.高通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(b)所示.由圖可以看到，在0<<C

8、范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于C的頻率為通帶。帶通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(c)所示。圖中Cl為下截止頻率，Ch為上截止頻率，0為中心頻率。由圖可知，它有兩個(gè)阻帶：0<<Cl和>Ch，因此帶寬B=Ch-Cl。帶阻濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(d)所示。由圖可知，它有兩個(gè)通帶：0<<Cl及>Ch和一個(gè)阻帶Cl<<Ch。因此它的功能是衰減Cl到Ch間的信號(hào)。通帶>Ch也是有限的。帶阻濾波電路阻帶中點(diǎn)所在的頻率Z叫零點(diǎn)頻率。 二階根本節(jié)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)分別為: 低通 高通 帶通 帶阻 式中K、p、z和p分別稱為增益常數(shù)、極點(diǎn)頻率、

9、零點(diǎn)頻率和極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可分別寫成 低通 高通帶通 帶阻各濾波器的電路圖： 三電路仿真 1.1 無源低通濾波器原理圖如下：從圖中可以看出截止頻率，說明此濾波器可以濾掉頻率超過5.878KHz的波。根據(jù)二階根本節(jié)低通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)式：可得增益常數(shù)K=1，極點(diǎn)頻率和極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：幅值函數(shù)為：由上式可知：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，可見隨著頻率升高幅值函數(shù)值減小，該電路具有使低頻信號(hào)通過的特性原理圖如下：從圖中可以看出截止頻率,可以濾掉頻率低于44.499KHz的波.電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為：根據(jù)二階根本節(jié)高通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)式：可得增益

10、常數(shù)K=1，極點(diǎn)頻率，極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：幅值函數(shù)為：由上式可知：當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，可見隨著頻率增加幅值函數(shù)增大，該電路具有使高頻信號(hào)通過的特性原理圖如下： 從圖中可以看出中心頻率. 但是老師初次檢查后發(fā)現(xiàn)有帶寬過寬等問題，于是我做了以下修正： 修正后的仿真圖：即R1改為100，R2改為1000，C1改為1F然后經(jīng)測試之后的仿真圖為：正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：幅值函數(shù)為：當(dāng)時(shí)，稱為帶通濾波器的中心頻率，即 截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。由H(j)的表達(dá)式可得對(duì)上式求解得，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。通頻帶寬度B為品質(zhì)因數(shù)Q為可見二階帶

11、通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q等于極偶品質(zhì)因數(shù)Qp。Q是衡量帶通濾波器的頻率選擇能力的一個(gè)重要指標(biāo)。由H(j)的表達(dá)式可知：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，信號(hào)頻率偏離中心頻率越遠(yuǎn)，幅值函數(shù)衰減越大。由于品質(zhì)因數(shù)于是通帶寬度 原理圖如下： 經(jīng)老師初次檢查后，發(fā)現(xiàn)阻帶過寬，于是我做了以下修正：即C1改為100nf ，C2也改為100nf。然后得到以下仿真圖：可以測出阻帶寬度B=6679.053Hz.正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：幅值函數(shù)為：當(dāng)時(shí)，稱為帶阻濾波器的中心頻率，即 截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。由H(j)的表達(dá)式可得對(duì)上式求解得，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。阻頻帶寬度B為品質(zhì)因數(shù)Q

12、為然后可知阻帶寬度4. 設(shè)計(jì)心得與體會(huì) 這次課程設(shè)計(jì)的課題是無源濾波器的設(shè)計(jì)，包括低通濾波器、高通濾波器 、帶通濾波器 、帶阻濾波器，在設(shè)計(jì)過程中查閱了很多資料，包括課本以及課外的書本，同時(shí)也咨詢了同學(xué)和老師才勉強(qiáng)完成了這個(gè)報(bào)告，當(dāng)真是十分不容易。通過這次的課程設(shè)計(jì)，了解了無源濾波器的原理以及與無源濾波器的區(qū)別，也能初步計(jì)算出其參數(shù)值。剛開始對(duì)無源濾波器的了解很少，然后我便查閱了一些資料做一些初步了解，然后再根據(jù)資料初步設(shè)計(jì)了這里的電路。我相信這就是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程，查閱資料也是一項(xiàng)非常重要的學(xué)習(xí)能力，作為一個(gè)學(xué)生，我想治學(xué)就一定要嚴(yán)謹(jǐn)，我們不是藝術(shù)家，可以用想象力憑空馳騁，支撐我們的一定要是理

13、論知識(shí)，我們做的一切事情一定要有理有據(jù)，有理可循，憑空捏造肯定是行不通的，僅僅只是想法，沒有實(shí)際理論的支持，那么它永遠(yuǎn)也只能存在于你的腦海，只是一個(gè)設(shè)想，而不可能成為一個(gè)合理的設(shè)計(jì)。然后再使用Multisim進(jìn)行初步仿真模擬，因?yàn)榈谝淮问褂眠@個(gè)軟件，而且是全英文界面，這對(duì)我的整個(gè)仿真過程造成了不小的的麻煩，不過還是通過一天的努力終于把4個(gè)電路圖的仿真全部做好了，當(dāng)時(shí)真的是松了一口氣。當(dāng)初我還擔(dān)憂我做不來這個(gè)設(shè)計(jì)，但是當(dāng)我把仿真做好的時(shí)候，我知道我確實(shí)做到了。我想當(dāng)初還是因?yàn)闆]有一個(gè)清晰的思路才會(huì)造成這樣的后果的，如果當(dāng)初把思路理清，我想回容易很多，先找到需要的元器件，然后再進(jìn)行連接，實(shí)驗(yàn)，仿真

14、?？隙ū任耶?dāng)初亂摸一氣要效率的多，我想在以后的學(xué)習(xí)過程也要有個(gè)清晰的方案，事事有據(jù)可循，才是一個(gè)工程師應(yīng)該具備的素質(zhì)。在這同時(shí)讓我能夠較為熟練的使用Multisim這個(gè)軟件，我想這肯定對(duì)以后的學(xué)習(xí)能有很大的幫助。 在設(shè)計(jì)課程過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，但是從中學(xué)到的知識(shí)會(huì)讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實(shí)踐能力的提高都會(huì)受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。設(shè)計(jì)過程，好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意的事，但畢竟這是第一次做，難免會(huì)遇到各種各樣的問題。在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的缺乏之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。我們通過查閱大量有關(guān)資料，并請(qǐng)叫同學(xué)老師，交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。通過這次課程設(shè)計(jì)我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的缺乏之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運(yùn)用到實(shí)踐的過程中仍有意想不到的