二階帶通濾波器的設計

1、學生姓名馮澤宇專業(yè)15電氣工程及其自動化指導教師姓名古衛(wèi)芳類別學號班級電本四班職稱副教授本校一、設計題目二階帶通濾波器的設計二、設計任務： 分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋二種方法設計電路； 中心頻率fO=1KHz； 增益AV1-2； 品質因數(shù)Q12 用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）。 三、進度安排第十五、十六周152017.5.29 6. 1日下達課程設計任務書： 明確課程設計的具體要求和應完成的設計任務，學生對課程設計所需各個步驟有個總體把握。搜集、整理和研究資料：針對題目本身涉及內容，通過書籍、文獻、網(wǎng)絡等手段查閱相關資料。在學習借鑒類似課題研究成果

2、同時，提出自己的設計思路和方法。2017.6.2擬定設計方案：進行方案的論證及選擇。162017.6.56.6日電路原理圖繪制、計算并初步確定電路參數(shù)。2017.6.76.8日用電路仿真軟件對所設計電路仿真測試。2017.6.9日課程設計報告的撰寫。并進行設計的答辯，給出課程設計成績模擬電子技術基礎課程設計任務書目錄內容提要3正文及電路設計第一章 制作一個1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路31.1 RC橋式振蕩電路31.2振蕩電路的傳遞函數(shù)41.3振蕩電路分析4第二章 壓控電壓源二階帶通濾波器62.1 壓控帶通慮波器的傳遞函數(shù)6 2.2 設計步驟及元器件選擇8第三章 模擬仿真與元器件準備93.1 M

3、ultisim仿真93.2 元器件列表13第四章 制版與調試134.1制板134.2 調試15原理概述16參考文獻18二階帶通濾波器的設計內容提要：帶通濾波器是指能夠通過某一頻率范圍內的頻率分量，但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。本文重點介紹了帶通濾波器工作原理以及設計方法。介紹了高低通濾波器的工作原理。設計了一個由高通濾波電路和低通濾波電路級聯(lián)而組成的帶通濾波，給出了系統(tǒng)的電路設計方法以及主要模塊的原理分析。實驗結果表明，該濾波器具良好的濾波效果以及運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。關鍵詞：帶通濾波器 參數(shù)設計 穩(wěn)定可靠正文及電路設計：第一章、制作一個1000Hz的正弦波產(chǎn)生電路：圖1.1 正

4、弦波產(chǎn)生電路1.1 RC橋式振蕩電路RC橋式振蕩電路如圖（1.1）所示。這個電路由兩部分組成，即放大電路和選頻網(wǎng)絡。其中，R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，接于運算放大器的輸出與同相輸入端之間，構成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、及R4組成負反饋網(wǎng)絡，調節(jié)可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調節(jié)放大的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡與負反饋中的R3、剛好組成一個四臂電橋，電橋的對角線頂點接到放大器A1的兩個輸入端，橋式振蕩電路的名稱即由此得來。分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性，根椐正弦波振蕩電路的振幅平衡條件，選擇合適的放大指標，構成一個完整的振蕩電路。1.2 振蕩電路的傳

5、遞函數(shù)由圖（1.1）有 ，其中，、分別為圖1.1中RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡的阻值。得到輸入與輸出的傳遞函數(shù)：(s)= （1.1）由式（1.1）得 取16k,0.01F，則有1.3 振蕩電路分析就實際的頻率而言，可用替換，在時，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡傳輸?shù)竭\放同相端的電壓與同相，這樣，放大電路和由Z1和Z2組成的反饋網(wǎng)絡剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件。 （1.2）令,且，則式（1.2）變?yōu)?（1.3）由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的幅頻響應 （1.4）相頻響應 （1.5）由此可知，當，或時，幅頻響應的幅度為最大，即 而相頻響應的相位角為零，即 這說明，當時，輸出的電壓的幅度最大（當輸入電壓的幅度一定，而頻

6、率可調時），并且輸出電壓時輸入電壓的1/3，同時輸出電壓與輸入電壓同相。 由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括有這樣一些頻率成分。這種微弱的信號，經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡，使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中的非線性元件的限制，使振蕩幅度自動地穩(wěn)定下來，開始時，放大電路的放大倍數(shù)Av1=1+；為可變阻值的上部分值，為下部分值，當Av1略大于3時，達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因而要通過調節(jié)才能輸出穩(wěn)定的正弦波。適當調整負反饋的強弱，使Av1的值在起振時略大于3，達到穩(wěn)定時Av1=3，其輸出波形為正弦波，失真很小。如果Av1的值遠大于3，則會因振幅的增長，致使放大器件工作在非線性區(qū)域，波形將產(chǎn)

7、生嚴重的非線性失真。二極管對A1的輸出電壓進行限幅再進入比例放大環(huán)節(jié)調節(jié)，W2便可以改變A2的增益，從而改變輸出波形的幅值。為了讓輸出的波形穩(wěn)定，應讓=解得 所以應該調到39.8%左右，才產(chǎn)生的最理想的波形。由圖（1.1）可以得出放大器A2的增益 由于,所以 1.92.1由此可見，滑動變阻器 的調節(jié)對放大器的增益影響不大。第二章、壓控電壓源二階帶通濾波器2.1 壓控帶通慮波器的傳遞函數(shù)壓控電壓源二階帶通濾波器電路如圖（2.1）所示，電路的傳輸函數(shù)為： （2.1） 式（2.1）中： 是帶通濾波器的中心角頻率。、分別為帶通濾波器的高、低截止角頻率。中心角頻率： （2.2） （2.3）中心角頻率處的

8、電壓放大倍數(shù)： （2.4）式（2.4）中，通帶帶寬： 或 （2.5） （2.6）圖2.1壓控帶通濾波電路設計一個壓控電壓源二階帶通濾波器，指標要求為：通帶中心頻率；通帶電壓放大倍數(shù)；通帶帶寬。2.2 設計步驟及元器件選擇1）選取圖（2.1）壓控電壓源型二階帶通濾波電路；2）該電路的傳輸函數(shù)： （2.7）品質因數(shù)： 通帶的中心角頻率： （2.8） 通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)： 取為使電路穩(wěn)定工作必須要求，取，即 由此可算出電阻取標稱值 將、代入得將代入式（2.8）得到關于的二次方程：可解得 取標稱值： ，至此，壓控電壓源二階帶通濾波器無源器件參數(shù)基本確定。第三章、模擬仿真與元器件準備3.1

9、Multisim仿真根據(jù)所選元器件，利用NI公司的Multisim進行仿真分析，結果如圖：+圖3.1 文氏電橋正弦波產(chǎn)生電路注：綠色為正弦波發(fā)生電路輸出波形，紅色為經(jīng)過同相放大器放大后的波形，放大倍數(shù)大約為2倍圖3.2 文氏電橋輸出波形圖3.3 壓控電壓源二階帶通濾波器電路圖注：紅色為函數(shù)信號發(fā)生器的輸出，作為濾波器的輸入，綠色為帶通濾波器的輸出波形，放大倍數(shù)為2倍。圖3.4 壓控電壓源二階帶通濾波器輸出波形圖3.5 電路輸出的波特圖波特圖儀仿真的波特圖，得到中心頻率為987.118Hz。圖3.6 a 上限截止頻率圖3.6 b 下限截止頻率由圖3.6a和圖3.6b得到模擬的兩個截止頻率分別是1

10、040Hz和940Hz。通過以上仿真得出結論：仿真結果基本滿足設計要求，所選元器件參數(shù)沒有錯誤，可以進行實際制作階段。3.2 元器件列表表3.7 設計所用元器件列表：定值電阻可變電阻器電容二極管放大器錫線其他10K316K2160K112K124K147K250K11K110nF41N41482OP073一圈測試板一個萬能表1個電烙鐵1個電路板1塊導線若干第四章、制板與調試4.1制板使用Altium Designer 繪制電路原理圖并生成PCB文件，利用熱轉印制作電路板，Altium Designer原理圖如圖3.8和PCB圖如圖3.9所示。 圖3.8 電路原理圖圖3.9 PCB布線圖為了方便

11、后期調試，將三個運放通過跳線帽jump_1/2和jump_2/3獨立開，并在每個運放輸出引出Test_1、Test_2和Test_3三個測試點。在調試過程中，發(fā)現(xiàn)濾波器的通帶放大倍數(shù)達不到理論值的2倍，遂用一個50k的電位器代替圖中濾波器中的47K電阻R4,通過調節(jié)電位器，可以得到不失真的通帶放大倍數(shù)，優(yōu)化后濾波器部分的電路如圖3.10所示： 圖3.10 濾波電路圖4.2 調試利用函數(shù)信號發(fā)生器和示波器對壓控電壓源二階帶通濾波器進行測試，得到數(shù)據(jù)表3.11： 表3.11電路數(shù)據(jù)表幅值（ch 1）幅值（ch 2）頻率(Hz)輸入Vi（V）輸出Vo(V)放大倍數(shù)Aou增益Kf頻率對數(shù)lg(f/f0

12、)139020.70.35-9.118640.132820.80.4-7.95880.125520.90.45-6.935750.121121.050.525-5.596810.118921.10.55-5.192750.116721.20.6-4.436970.114821.30.65-3.741730.113121.40.7-3.098040.111921.60.8-1.93820.109921.80.9-0.915150.108022100.107122.11.050.0.106122.41.21.0.104822.81.42.0.103423.11.553.0.102223.21.64

13、.08240.101323.81.95.0.100623.91.955.0.990.32426.0206-0.9792426.0206-0.96823.61.85.10545-0.96123.41.74.-0.949231.53.-0.93722.81.42.-0.92522.61.32.-0.9082210-0.89621.80.9-0.91515-0.87921.60.8-1.9382-0.86621.40.7-3.09804-0.85321.320.66-3.60912-0.83121.20.6-4.43697-0.81921.20.6-4.43697-0.796210.5-6.0206

14、-0.77420.90.45-6.93575-0.75020.80.4-7.9588-0.73720.80.4-7.9588-0.將數(shù)據(jù)輸入，利用繪圖功能得出波特圖如圖3.12所示：圖3.12 實測數(shù)據(jù)的對數(shù)頻率特性由圖中數(shù)據(jù)可看出通帶中心頻率為990Hz,通帶放大倍數(shù)為2倍，增益為6dB。兩個截止頻率分別為1040Hz和940Hz左右，通頻帶寬度為100Hz。對比仿真圖3.5和圖3.6a、圖3.6b后得出結論：此次設計基本達到設計要求。原理概述：帶通濾波器原理圖該濾波器的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。電路性能參數(shù) 通帶增益： (AV=12) 中心頻率： (1000Hz)通帶寬度： 品質因數(shù)： (12)圖4 由二階高通濾波電路和低通濾波電路級聯(lián)而成的帶通濾波電路。有源濾波電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，故便于級聯(lián)。 圖4 有源二階帶通濾波器參考文獻：1張國雄,沈生培.精密儀器電路M.北京：機械工業(yè)出版社，1988.2聞伍椿.運算放大器在電測技術中的應用M.北京：機械工業(yè)出版社，1989.3陳澤進.模擬電子技術M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1994.4北方交通大學電信第.有源濾波器M.北京：中國鐵道出版社，1982.5李永敏