二階高通濾波電路

2011~2012學(xué)年第2學(xué)期?如炭寥烷《高頻電子線路》

課程設(shè)計報告題目變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計專業(yè)： 電子信息工程 班級： 姓名：指導(dǎo)教師:電氣工程系2012年12月17日

1、任務(wù)書課題名稱變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計指導(dǎo)教師(職稱)執(zhí)行時間2012~2013學(xué)年第二學(xué)期第周學(xué)生姓名學(xué)號承擔(dān)任務(wù)設(shè)計目的?原理分析及電路圖設(shè)計?用相關(guān)仿真軟件畫出電路并對電路進(jìn)行分析與測試設(shè)計要求⑴輸入lKHz大小為200Mv的正弦電壓(也可以用lKHz的方波)；主振頻率為fO大于15MHz；最大頻偏△fm=20KHzo變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計摘要調(diào)頻電路具有抗干擾性能強(qiáng)、聲音清晰等優(yōu)點(diǎn)，獲得了快速的發(fā)展。主要應(yīng)用于調(diào)頻廣播、廣播電視、通信及遙控。調(diào)頻電臺的頻帶通常大約是200?250kHz,其頻帶寬度是調(diào)幅電臺的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機(jī)中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于30?8000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴(kuò)大至30?15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。變?nèi)荻O管調(diào)頻電路是一種常用的直接調(diào)頻電路，廣泛應(yīng)用于移動通信和自動頻率微調(diào)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是工作頻率高，固有損耗小且線路簡單，能獲得較大的頻偏，其缺點(diǎn)是中心頻率穩(wěn)定度較低。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進(jìn)的頻率調(diào)制方案。本課題載波由LC電容反饋三端振蕩器組成主振回路，振蕩頻率有電路電感和電容決定，當(dāng)受調(diào)制信號控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩頻率受調(diào)制信號的控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。關(guān)鍵字：變?nèi)荻O管；直接調(diào)頻；LC振蕩電路。變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章設(shè)計思路 1\o"CurrentDocument"第二章濾波電路的基本理論 2\o"CurrentDocument"2.1濾波電路的定義 2\o"CurrentDocument"2.2濾波電路的工作原理 2\o"CurrentDocument"2.3濾波電路的種類 2\o"CurrentDocument"2.4濾波電路的主要參數(shù) 3\o"CurrentDocument"2.5無源濾波電路和有源濾波電路 32.5.1無源濾波電路 32.5.2有源濾波電路 42.5.3無源濾波器與有源濾波器的比較 4\o"CurrentDocument"第三章高通濾波電路模塊的設(shè)計 6\o"CurrentDocument"3.1高通濾波電路與低通濾波電路的聯(lián)系 6\o"CurrentDocument"3.2壓控電壓源高通濾波電路 6\o"CurrentDocument"3.3無限增益多路反饋高通濾波電路 7\o"CurrentDocument"第四章二階高通濾波器電路仿真及系統(tǒng)誤差分析 9\o"CurrentDocument"4.1壓控電壓源二階高通濾波電路 94.2無限增益多路反饋二階高通濾波電路 11\o"CurrentDocument"4.3誤差分析 14\o"CurrentDocument"結(jié)論 15附錄一LM324引腳圖（管腳圖）附錄一LM324引腳圖（管腳圖） 161717附錄二參考文獻(xiàn)第一章設(shè)計思路本設(shè)計要求分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋兩種方法設(shè)計一個二階高通濾波電路并使其增益Au=5,截止頻率fc=100Hz。即輸入信號頻率在100Hz以上的可以通過，而頻率在截止頻率以下的信號則會被衰弱。而高通濾波電路與低通濾波電路具有對偶性，故設(shè)計從了解掌握濾波器的基礎(chǔ)理論開始，了解其有關(guān)參數(shù)，工作原理等，進(jìn)而了解低通濾波電路的工作原理和設(shè)計方法，最后設(shè)計出二階高通濾波電路，達(dá)到設(shè)計目的。第二章濾波電路的基本理論2.1濾波電路的定義對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，他對信號具有一定的選擇、處理功能。它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他頻率信號通過，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。濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C,或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。2.2濾波電路的工作原理以電感作為電抗原件為例，當(dāng)流過電感的電流變化時，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產(chǎn)生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時，自感電動勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時釋放出存儲的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>o>L時才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。2.3濾波電路的種類通常，按照濾波電路的工作頻帶為其命名，分為低通濾波器（LPF）,高通濾波器（HPF）,帶通濾波器（BPF）,帶阻濾波器（BEF）和全通濾波器（APF）。設(shè)截止頻率為f，頻率低于f的信號能夠通過，高于f的信號被衰減的濾波電路稱為JC Jc Jc低通濾波電路；反之，頻率高于f的信號能通過，而頻率低于f的信號被衰減的濾波電路JC JC稱為高通濾波電路。前者可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓;后者可以作為交流放大電路的耦合電路，隔離直流成分，只放大頻率高于fc的信號。設(shè)低頻段的截止頻率為fc1,高頻段的截止頻率為fc2，頻率為fc1到fc2之間的信號能夠通過，低于fcl和高于￡2的信號被衰減的濾波電路稱為帶通濾波器；反之，頻率低于人和高于￡2的信號能夠通過，而頻率為fc1到fc2之間的信號被衰弱的濾波電路稱為阻帶濾波器。前者常用于載波通訊或弱信號提取等場合，以提高信噪比，后者用于在已知干擾或噪聲頻率的情況下，阻止其通過。全通濾波器對于頻率從零到無窮大的信號具有相同的比例系數(shù)，但對于不同頻率的信號將產(chǎn)生不同的相移。2.4濾波電路的主要參數(shù)實(shí)際上，任何濾波器均不可能具備理想濾波電路的幅頻特性，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計實(shí)際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實(shí)際濾波器的特性曲線無明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數(shù)，故需用更多參數(shù)來描述。通帶放大倍數(shù)AUP。稱通帶中輸出電壓與輸入電壓之比AUP為通帶放大倍數(shù)。通帶截止頻率f。幅頻特性值等于0.707AUP所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以AUP為參考值，0.707AUP對應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對于AUP衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。圖2-1濾波器的實(shí)際幅頻特性曲線從f到A接近零的頻段稱為過渡帶，是A趨近于零的頻段稱為阻帶。過渡帶越窄,c u u電路的選擇性越好，濾波特性越理想。分析濾波電路就是求解電路的頻率特性，對于LPF,HPF,BPF,BEF,APF就是求解出AUP，f和過渡帶的斜率。2.5無源濾波電路和有源濾波電路2.5.1無源濾波電路無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用無源元件（電阻、電容、電感）的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，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。無源濾波器主要可以分為兩大類：調(diào)諧濾波器和高通濾波器。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，用來大幅衰減高于某一頻率的諧波，該頻率稱為高通濾波器的截止頻率。無源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對成熟，容量大，易于設(shè)計，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，因而不適用于信號處理要求高的場合。無源濾波電路通常用在功率電路中，比如直流電源整流后的濾波，或者大電流負(fù)載時采用LC（電感、電容）電路濾波。2.5.2有源濾波電路有源濾波電路，不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放）組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。有源濾波電路一般是由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能起到濾波作用，與此同時還可以進(jìn)行放大。組成電路時應(yīng)選用帶寬合適的集成運(yùn)放。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的負(fù)載，，只適用于信號處理。通常，直流電源中整流后的濾波電路均采用無源電路，且在大電流負(fù)載時，應(yīng)采用LC電感電容電路。有源濾波器工作原理是：用電流互感器采集直流線路上的電流，經(jīng)A/D采樣，將所得的電流信號進(jìn)行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為PWM的調(diào)制信號，與三角波相比，從而得到開關(guān)信號，用此開關(guān)信號去控制IGBT單相橋，根據(jù)PWM技術(shù)的原理，將上下橋臂的開關(guān)信號反接，就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點(diǎn)后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差。2.5.3無源濾波器與有源濾波器的比較雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器（ActivePowerFliter，縮寫為APF））APF即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點(diǎn)：A.不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價比上較為合理；b.濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；C.具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)。第三章高通濾波電路模塊的設(shè)計3.1高通濾波電路與低通濾波電路的聯(lián)系高通濾波電路與低通濾波電路具有對偶性，如果將二階低通濾波電路中的電容替換成電阻，電阻替換成電容，就可的各種高通濾波器。區(qū)別于低通濾波電路，二階高通濾波電路輸入阻抗高，輸出阻抗低，通向比例放大電壓增益就是高通濾波器的通帶電壓增益。由RC無源網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)算放大器組成的具有濾波功能且只允許高于截止頻率的信號通過，而阻止低于截止頻率的信號通過，必使其衰弱的放大電路稱為高階濾波電路。3.2壓控電壓源高通濾波電路電路如圖3-1所示，電路的傳遞函數(shù)為通帶增益為截止頻率為品質(zhì)因數(shù)為A通帶增益為截止頻率為品質(zhì)因數(shù)為A=1+Rfup R1fp-2RC3一AupRfup二1+A.Rfup二1+A.?.假設(shè)Rf=1KG，則解得又???R1=4KGf= =100Hzp2mRC假設(shè)C=C1=C2=0.1卩F，則解得R=R2=R3=16KG故選擇器件為Rf=1KG,R1=4KG,R=R2=R3=16KG,C=C1=C2=0.1卩F。運(yùn)算放大器選用LM324。假設(shè)輸入電壓幅值為100mv（有效值約為70.7mv）,因?yàn)樵鲆鏋?,所以當(dāng)輸入信號頻率足夠高時即為=141Hz時信號穩(wěn)定輸出，輸出電壓值基本保持不變，即U0=70.7x5=353.5。當(dāng)f0二f二100Hz時A=0.707A，所以輸出電壓為0 0p up uUo'=353.5x0.707?249.9mv。3.3無限增益多路反饋高通濾波電路A(s)A(s)=A(s)?u upS2R1R2C3C2 1+SCRC3(C1+C2+C3LSR1R2C2C3

Aup由設(shè)計要求可知增益up上由設(shè)計要求可知增益up上=5,2^R1R2C2C3Q=(C1+C2+C3:R1VC2C3R2.?.假設(shè)C1=50pF，則解得又???=100Hz2gR1R2C2C3假設(shè)C2=0.2pF,R1=10KG，則解得R2=140KG因增益Au與截止頻率均與R3無關(guān)，故假設(shè)R3=10KG。故選擇器材為C1=50 pF， C2=0.2 pF， C3=10pF，Rx=10KG，R2=140KG，R3=10KG，運(yùn)算放大器選用LM324。假設(shè)輸入電壓幅值為100mv（有效值約為70.7mv），因?yàn)樵鲆鏋?，所以當(dāng)輸入信號頻率足夠高時即為*2^=141Hz時信號穩(wěn)定輸出，輸出電壓值基本保持不變，即U0=70.7x5=353.5mv。當(dāng)f0二f=100Hz時A二0.707A，所以輸出電壓為0 0p up uUo'=353.5x0.707?249.9mv。圖3-2無限增益多路反饋高通濾波電路圖3-2無限增益多路反饋高通濾波電路第四章二階高通濾波器電路仿真及系統(tǒng)誤差分析4.1壓控電壓源二階高通濾波電路壓控電壓源二階高通濾波器的參數(shù)設(shè)計，由增益 Aup=5，Aup=1+RfjR1,所以選R3=16KG的電阻，f=100Hz,f=1/2兀rc，則選用C=O.luf的電容，R4為16KQ的電阻,p pR2為4KG的電阻。輸入信號U=100mv(有效值為70.7mv)，測量有效值為72mv。改變頻率用萬用表測輸出電壓有效值，并且在通頻帶時的頻率要取得密集一些。二階高通濾波器電路的電路仿真。圖 4-1壓控電壓源二階高通濾波電路(a)輸入波形(b)輸出波形

圖 4-1壓控電壓源二階高通濾波電路(a)輸入波形(b)輸出波形圖4-2輸入頻率為20Hz時壓控電壓源二階高通濾器的輸入輸出波形由示波器可以看出由示波器可以看出輸入信號頻率很小時，輸入信號的最大值約為100mv，輸出信號的最大值約為32mv可以明顯看出在低頻時信號被衰減。圖4-3輸入頻率為100Hz時壓控電壓源二階高通濾器的輸入輸出波形由示波器可以看出單輸入信號頻率為截止頻率100Hz時，輸入信號的最大值約為100mv，輸出信號的最大值約為347mv，信號已經(jīng)被放大，但仍未到達(dá)預(yù)定放大倍數(shù)。圖4-4輸入頻率為1000Hz時壓控電壓源二階高通濾器的輸入輸出波形由示波器可以看出當(dāng)輸入信號頻率為1000Hz時，輸入信號的最大值約為100mv，輸出信號的最大值約為497mv，信號放大倍數(shù)已達(dá)到預(yù)定值。

表一壓控高通濾波器的數(shù)據(jù)記錄頻率f/Hz2060809095100150輸出電壓U0/mv22148204227237246350頻率f/Hz2005008001K20K50K100K輸出電壓U0/mv351360362364363362363在頻率為高頻時，u=(364+363+362+363)/4=363mv輸入電壓U=72mv，則Au=U/U=363/72=5.04相對誤差：s=(5.04-5)/5X100%=0.8%當(dāng)fp=100Hz時，U0理論=353.5x0.707沁249.9mv實(shí)驗(yàn)測得U0=246mv則相對誤差為S=(246-249.9)/249.9x100%=-1.5%圖4-5壓控電壓源二階高通濾波器電路的幅頻特性4.2無限增益多路反饋二階高通濾波電路無限增益多路反饋二階高通濾波器的參數(shù)設(shè)計，由增益A忒5,Aup=-C/C3，所以選C1=50rF，C3=10pF，fp=100Hz,fp=12^R1R2C2C3，貝V選用R1=10KG，R2=140KG，R3=10KG，C2=0.2pF。輸入信號U.=100mv（有效值為70.7mv），測量有效值為72mv。改變頻率用萬用表測輸出電壓有效值，并且在通頻帶時的頻率要取得密集一些。二階高通濾波器電路的電路仿真：

jXSTLTJEC2——kIR3IOO11F1k￡l12VT—50nFjXSTLTJEC2——kIR3IOO11F1k￡l12VT—50nFR12kQLM324AJ圖4-6無限增益饋高通濾波電路(a)輸入波形 (b)輸出波形圖4-7輸入頻率為20Hz時無限增益多路反饋高通濾波電路波形由示波器可以看出輸入信號頻率很小時，輸入信號的最大值約為100mv，輸出信號的最大值約為24mv可以明顯看出在低頻時信號被衰減。

(a)輸入波形 (b)輸出波形圖4-8輸入頻率為100Hz時無限增益多路反饋高通濾波電路波形由示波器可以看出單輸入信號頻率為截止頻率100Hz時，輸入信號的最大值約為100mv，輸出信號的最大值約為340mv，信號已經(jīng)被放大，但仍未到達(dá)預(yù)定放大倍數(shù)。(a)輸入波形 (b)輸出波形圖4-9輸入頻率為1000Hz時無限增益多路反饋高通濾波電路波形由示波器可以看出當(dāng)輸入信號頻率為1000Hz時，輸入信號的最大值約為100mv，輸出信號的最大值約為500mv，信號放大倍數(shù)已達(dá)到預(yù)定值。

圖4-10無限增益二階高通濾波器電路的幅頻特性表二無限增益二階高通濾波器電路的數(shù)據(jù)記錄頻率f/Hz2060809095100150輸出電壓U0/mv15137186214227239307頻率f/Hz2005008001K20K50K100K輸出電壓U0/mv330360362364363362363在頻率為高頻時，U=(364+363+362+363)/4=363mv輸入電壓U=72mv，則Au=U/U=363/72=5.04i U i相對誤差：s=(5.04-5)/5X100%=0.8%當(dāng)fp=100Hz時，U0理論=353.5x0.707沁249.9mv實(shí)驗(yàn)測得U0=239mv則相對誤差為S=(239-249.9)/249.9x100%?-0.04%4.3誤差分析產(chǎn)生該實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因有：1、 輸入信號不穩(wěn)定會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。2、 實(shí)際所使用的電阻、電容與理論值的誤差。3、 函數(shù)發(fā)生器的輸出誤差，示波器的量化誤差。4、 在參數(shù)設(shè)計時也會引入誤差。5、 在計算過程中會引入計算誤差。結(jié)論1結(jié)論結(jié)論與心得由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)頻率f為通帶截止頻率fp時，輸出電壓u0約為最大輸出電壓的0、707倍，即丨A丨~0.707IAup