有源濾波器模電課程設(shè)計(jì)

鄭州科技學(xué)院模擬電子課程設(shè)計(jì)題目二階有源高通濾波器學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)院〔系〕指導(dǎo)教師完成時(shí)間目錄1課程設(shè)計(jì)的目的……………………12課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求…………13設(shè)計(jì)方案與論證……………………13.1有源濾波器各局部電路的作用………13.2方案的選擇………………23.2.1濾波器的選擇………23.2.2級(jí)數(shù)的選擇……………33.2.3運(yùn)放的要求……………33.2.4元器件的選擇…………44有源濾波器的設(shè)計(jì)與原理……44.1有源濾波器的根本概念…………………44.2有源濾波器的傳輸函數(shù)……54.3有源濾波器的設(shè)計(jì)…………54.4電路性能參數(shù)………………65電路仿真〔計(jì)算與說明〕……………65.1Multisim軟件介紹…………75.2Multisim電路仿真分析…………………76硬件的制作與調(diào)試………………126.1電路的焊接制作……………126.2電路的調(diào)試和誤差分析………………127總結(jié)…………………12參考文獻(xiàn)………………15附錄1：總體電路原理圖…………16附錄2：元器件清單…………………17附錄3：電路實(shí)物圖…………………181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]綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，掌握一般電子線路分析和設(shè)計(jì)的根本方法和步驟；[3]培養(yǎng)一定的獨(dú)立分析問題、解決問題的能力；[4]實(shí)踐利用EDA軟件繪制電子線路原理圖、PCB圖；[5]學(xué)會(huì)說明書的標(biāo)準(zhǔn)整理和書寫。2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求[1]設(shè)計(jì)二階RC高通濾波器電路，計(jì)算電路元件參數(shù)，擬定測試方案和步驟；[2]在multisim里仿真電路，測量并調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)；[3]由濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)；[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；[6]寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。3總方案設(shè)計(jì)3.1有源濾波器各局部電路的作用有源濾波電路主要由：RC網(wǎng)絡(luò)、放大器、反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)三局部組成?！?〕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?！?〕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)?！?〕反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出信號(hào)的一局部或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反應(yīng)，其中的電路稱為反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反應(yīng)。3.2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(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻帶內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外那么具有無窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此我們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。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〕。下面簡要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原那么。3.2.1濾波器的選擇由于巴特沃斯濾波器通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶內(nèi)那么逐漸下降為零，在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上，從某一邊界角頻率的增加而逐漸減少，趨向負(fù)無窮大，本次我選擇設(shè)計(jì)巴特沃斯二階有源低通濾波器和高通濾波器；而帶通濾波器要求通帶較寬時(shí)，用低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成比直接用環(huán)型帶通濾波器要好。3.2.2級(jí)數(shù)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(duì)帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反應(yīng)型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比擬敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。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)，那么取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)，根據(jù)帶外衰減特性的要求，我選擇二階濾波器。3.2.3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。要讓濾波器的反應(yīng)能夠滿足其對(duì)濾波器特性的要求，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益要求在80db以上。如果濾波器的輸入信號(hào)較小，例如在10mV以下，那么選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至于使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100kΩ,那么應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。本電路選擇了八管腳的UA741單運(yùn)放，其管腳如圖3-2：圖3-2UA741引腳圖3.2.4元器件的選擇電容的選擇:一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc(ωc)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.所以一般從選定電容入手，具體選擇情況詳見附錄2。電阻的選擇:根據(jù)電容確實(shí)定和規(guī)定的截止頻率和帶內(nèi)增益以及參數(shù)計(jì)算得的結(jié)果和市場上所出售的情況而選擇，詳見附錄2。4有源濾波器的設(shè)計(jì)與原理4.1有源濾波器的根本概念由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)?？捎迷谛畔⑻幚?、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對(duì)頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)等濾波器，我們?cè)O(shè)計(jì)的是高通濾波器。由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實(shí)現(xiàn)，只能用實(shí)際的幅頻特性逼近。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有源濾波器來實(shí)現(xiàn)。4.2有源濾波器的傳輸函數(shù)〔4-1〕4.3有源高通濾波器的設(shè)計(jì)高通濾波器的性能與低通濾波器相反，高通濾波器用來通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。如圖4-1所示，高通濾波器的根本電路圖。圖4-1有源高通濾波器簡單電路圖4.4電路性能參數(shù) 〔4-2〕二階高通濾波器的通帶增益(4-3)截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率?！?-4〕品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。5電路仿真電路設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)是仿真與調(diào)試，這就需要進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，此次仿真使用的是Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)操作跟實(shí)際相似，但比實(shí)際方便、省時(shí)，通過仿真測試電路各方面性能良好。5.1Multisim軟件介紹Multisim是美國國家儀器〔NI〕推出的以Windows為根底的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿真實(shí)驗(yàn)和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛途植繌?qiáng)電電路的仿真、分析和設(shè)計(jì)。Multisim是一種優(yōu)秀而易學(xué)的WDA〔電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化〕軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點(diǎn)就是提供了一個(gè)操作簡便且與實(shí)際相似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。他幾乎能對(duì)”電子技術(shù)”課程中所有根本電路進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)過程和儀器操作方法與實(shí)際相似，但比實(shí)際方便、省時(shí)。他還能進(jìn)行實(shí)際無法或不便進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容，通過儲(chǔ)存和打印等方法可精確記錄器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實(shí)際工作狀態(tài)和性能。5.2Multisim電路仿真與分析圖5-1有源濾波器仿真電路圖如上圖所示，此電路上半局部是一個(gè)同相比例放大電路，由兩個(gè)電阻R3、Rf和一個(gè)理想運(yùn)算放大器構(gòu)成。R3為15KΩ、Rf為10KΩ。下半局部是一個(gè)二階RC濾波電路，由兩個(gè)電阻R1、R2及兩個(gè)電容C1、C2構(gòu)成。其中R1、R2均為8.2K,C1、C2均為10nF。電路由一個(gè)幅度為6V、頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸入信號(hào)。(1)理論分析通帶電壓放大倍數(shù)：低頻下，兩個(gè)電容相當(dāng)于開路，此電路為同相比例器。(5-1)通帶截止頻率：(5-2)〔2〕濾波器輸入輸出波形分析在Multisim軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬雙蹤示波器，將示波器的A、B端分別連接電路的輸入端和輸出端，再點(diǎn)擊仿真開始按鈕進(jìn)行仿真，得到如圖5-3波形：圖5-2信號(hào)源輸入端接信號(hào)源如圖5-2： (5-3)(5-4)圖5-3二階高通濾波器輸入輸出波形圖5-3為電路輸出信號(hào)的頻率為500HZ,幅度是12V時(shí)濾波器的輸入輸出波形。波形幅度大的是電路輸入信號(hào)，另外一條是電路輸出信號(hào)。示波器的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電壓的幅度。選擇2ms/div的掃描率，縱軸比例為5v/div，輸出方式為Y/T方式。從圖中可以看出輸出信號(hào)和輸入信號(hào)頻率相同，說明濾波器不改變輸出信號(hào)頻率，但在輸入信號(hào)頻率小于濾波器的截止頻率時(shí)，輸出信號(hào)的幅度遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)的頻率，說明輸出信號(hào)衰減明顯。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率，使其分別為500HZ、1KHZ、2KHZ、3KHZ時(shí)，從示波器可以看出輸入信號(hào)頻率在2KHZ以下時(shí)，電路的放大作用明顯，而小于2KHZ時(shí)，波形開始逐漸被衰減，這說明截止頻率接近2KHZ。我們發(fā)現(xiàn)，僅通過示波器分析，很難得出截止頻率的準(zhǔn)確值，也不能直觀看出輸入信號(hào)的頻率對(duì)放大電路性能的影響，于是用波特儀來準(zhǔn)確觀察電路的輸入輸出特性?！?〕幅頻特性分析在虛擬儀器欄中選擇虛擬波特儀，將波特儀的輸入輸出端分別接到電路的輸入輸出端，再點(diǎn)擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，得到如下波形：圖5-4有源高通濾波器幅頻特性該高通濾波器的通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶那么逐漸下降為零，衰減率可到達(dá)每十倍頻40分貝，濾波特性很理想，從圖中可以看出截止頻率，與理論計(jì)算結(jié)果相符。6硬件制作與調(diào)試6.1電路的焊接制作〔1)按仿真圖購置所需要的元器件。(2)在電路板上進(jìn)行焊接。(3)焊接好線路，進(jìn)行測試。(4)觀察輸出波形是否正確。6.2電路的調(diào)試和誤差分析把輸出端接示波器，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率觀察波形的變化。在測試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)無波形輸出，檢查電路才發(fā)現(xiàn)原來是電源正負(fù)極接反了，改回來后有了正常的波形。由于計(jì)算得出的元器件參數(shù)比擬理想化，而實(shí)際中用的元件很難匹配所有的參數(shù)，如低通濾波器中的R1，R2，取值為8.2K，現(xiàn)實(shí)中無法買到阻值為8.2K的電阻，只能通過幾個(gè)電阻串聯(lián)的形式盡可能的接近它。至于電容，誤差更大〔電容的誤差在20%內(nèi)便為合格〕。7總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)，老師給與了我們相當(dāng)大的幫助。提供了假設(shè)干個(gè)課題，供同學(xué)選擇，而且強(qiáng)制要求一人一個(gè)課題，最大限度上逼同學(xué)培養(yǎng)出獨(dú)立思考的能力。這個(gè)課題的內(nèi)容在很多參考資料書上都有相關(guān)介紹，電路圖也大同小異，因而可以說選擇原理電路的過程還是很容易的，但是事實(shí)上，濾波電路的原理雖然說也很重要，但卻不是試驗(yàn)成功最難的一步，相比擬之下，根據(jù)原理圖的要求，選擇各類元器件才是最麻煩的一步。開始的時(shí)候不知道要先選取電容值，走了很多彎路，設(shè)計(jì)性能也達(dá)不到要求。后來查找資料發(fā)現(xiàn)有源濾波器頻率和電容有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)表，根據(jù)頻率選定電容范圍，再根據(jù)公式推算電阻，才能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)歷了屢次失敗的仿真結(jié)果后，我暫時(shí)停止了盲目仿真的過程，我開始在網(wǎng)絡(luò)上和書籍中查閱相關(guān)資料，進(jìn)一步學(xué)習(xí)濾波器的相關(guān)知識(shí)，為合理調(diào)整電路元器件的數(shù)值打根底。與此同時(shí)又參閱了局部Multisim的教程，以及網(wǎng)上的經(jīng)驗(yàn)之談。前一次的失敗工作雖然沒有為我?guī)頋M意的數(shù)據(jù)，但是反復(fù)操練帶來的熟練程度，讓我在后來的仿真實(shí)驗(yàn)中受益匪淺，面對(duì)全英文的操作界面也不再是處處茫然，常用的儀器、元器件也知道該如何去找去用了。及時(shí)充電過后的正式仿真相比之下就顯得容易多了。先設(shè)定一個(gè)預(yù)期的結(jié)果，再根據(jù)預(yù)期結(jié)果反推所需的元器件及參數(shù)，接著在軟件自帶的器件庫內(nèi)找齊所需元件再連接即可。由于事先算好了數(shù)據(jù)，故得到的曲線與理論值相當(dāng)接近。本次課程設(shè)計(jì)其實(shí)學(xué)到了很多東西。最根本的當(dāng)然是濾波器的相關(guān)知識(shí)；其次是Multisim軟件的根本操作和應(yīng)用；除此之外在老師的提醒下我還知道了查閱電子元器件參數(shù)最權(quán)威的方式——PDF文檔；還有一些零零散散的看似不起眼但卻又不能被忽略的小知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)，更加強(qiáng)化了我一個(gè)概念——無論做什么，一定要在事先做好充分的準(zhǔn)備，那樣才不會(huì)在面臨