有源濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)-課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書</b></p><p>　　題 目 有源濾波器設(shè)計(jì) </p><p>　　課 程 名 稱 模擬電子技術(shù)B </p><p>　　二 級(jí) 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　　設(shè)計(jì)起止時(shí)間：2016年12月1

2、9日至2016年12月23日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求……………………………………………………………2</p><p>　　二、設(shè)計(jì)方案……………………………………………………………………3</p><p>　　2.1 總方案設(shè)計(jì)………………………………………

3、…………………… 3</p><p>　　2.1.1 方案框圖……………………………………………………… 3</p><p>　　2.1.2 子框圖的作用………………………………………………… 3</p><p>　　2.1.3 方案選擇……………………………………………………… 3</p><p>　　三、設(shè)計(jì)原理與電路…………………………

4、…………………………………5</p><p>　　3.1 單元電路的設(shè)計(jì)……………………………………………………… 5</p><p>　　3.1.1 原理圖設(shè)計(jì)…………………………………………………… 5</p><p>　　3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)……………………………… 6</p><p>　　3.2元件參數(shù)的計(jì)算………

5、……………………………………………… 8</p><p>　　3.2.1 二階低通濾波器……………………………………………… 8</p><p>　　3.2.2 二階高通濾波器……………………………………………… 9</p><p>　　3.2.3 二階帶通濾波器……………………………………………… 9</p><p>　　3.3 元器件選擇

6、…………………………………………………………… 9</p><p>　　3.4 工作原理………………………………………………………………10</p><p>　　四、電路的組裝與調(diào)試……………………………………………………… 11</p><p>　　4.1 MultiSim電路圖…………………………………………………… 11</p><p&g

7、t;　　4.2 MultiSim仿真分析……………………………………………………13</p><p>　　五、設(shè)計(jì)心得………………………………………………………………… 16</p><p>　　附 錄……………………………………………………………………………16</p><p>　　附錄Ⅰ 元件清單…………………………………………………………… 17</p

8、><p>　　附錄Ⅱ Protel原理圖 ……………………………………………………… 17</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)……………………………………………………………………18</p><p><b>　　有源濾波器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　摘要：</b></p>&

9、lt;p>　　在《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，針對(duì)課設(shè)要求，設(shè)計(jì)了多重反饋有源帶通濾波器。本次設(shè)計(jì)，是有電阻、電容、放大器組成的電路。該濾波器的中心頻率是10KHz。該濾波器阻值低于50Hz和高于20Hz頻率的信號(hào)通過，只允許50Hz到20KHz之間的信號(hào)通過。該濾波器屬于有源濾波器，由無(wú)源元件和有源元件組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有消耗能量，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相連是相互影響很小。設(shè)計(jì)用到了LM

10、324放大器，它既可接單電源使用（3~30V），也可以接雙電源使用（±1.5~±15V），不需要調(diào)零。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：RC網(wǎng)絡(luò)；反饋網(wǎng)絡(luò)；運(yùn)算放大器；濾波器</p><p><b>　　1 任務(wù)與要求</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p>

11、<p>　　有源濾波器是由有源元件和無(wú)源元件(一般是R和C)共同組成的電濾波器，和無(wú)源濾波器相比，它的設(shè)計(jì)和調(diào)整過程較簡(jiǎn)便，此外還能提供增益。本課程設(shè)計(jì)選擇二階有源濾波器作為主要研究對(duì)象。</p><p>　　自已設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)要求</b&g

12、t;</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)電路圖，確定前置放大電路，有源濾波電路，功率放大電路的方案，并使用相應(yīng)繪圖軟件畫出設(shè)計(jì)電路，包括低通、高通和帶通；</p><p>　?。?）所設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)；</p><p>　?。?）根據(jù)給定要求和電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)；</p><p>　　

13、（4）用Multisim仿真軟件對(duì)濾波器進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　2.1 總方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1.1方案框圖</b></p><p>　　圖2.1.1 RC有源濾波

14、總框圖</p><p>　　2.1.2子框圖的作用</p><p>　?。?）RC網(wǎng)絡(luò)的作用</p><p>　　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。</p><p><b>　　（2）放大器的作用</b></p><p&

15、gt;　　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(jí)。</p><p>　　（3）反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 </p><p>　　將輸出信號(hào)的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，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。</p><p><b>　　2.1.3方

16、案選擇</b></p><p>　　濾波器在通信測(cè)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（通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無(wú)窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來(lái)逼近理想濾波器的頻率特性。</p><p>　　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

17、性、磁場(chǎng)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，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz~106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-3~10~10-5）/攝氏度，頻率精度為+（3~5）%，并可用簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)來(lái)得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。</p><p>　　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

18、和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說(shuō)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(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。</p><p>　?。?）關(guān)于濾波器類型的選擇</p><p>　　一階濾波器電路最簡(jiǎn)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(chǎng)合下選用。無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如

19、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(shí)，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</p><p><b>　　（2）級(jí)數(shù)選擇</b></p><p>　　濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)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

20、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)，則取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。</p><p><b>　　（3）運(yùn)放的要求</b></p><p>　　在無(wú)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)增應(yīng)在8

21、0dB 以上。對(duì)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，式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。</p><p>　　如果濾波器的輸入信號(hào)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)中電阻元件的值超過100kΩ，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。</p><p><b>

22、;　?。?）元器件的選擇</b></p><p>　　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，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3

23、初選電容值。</p><p>　　表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　3 設(shè)計(jì)原理與電路</p><p>　　3.1 單元電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 原理圖設(shè)計(jì)</p><p><b>　?。?）低通濾波器</b></p>&l

24、t;p>　　低通濾波器是用來(lái)通過低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。</p><p>　　如圖3.1.1.1（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。</p><p>　　圖3.1.1.1（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。</p><p>　　圖3.1.1.1

25、二階低通濾波器</p><p><b>　?。?）高通濾波器</b></p><p>　　高通濾波器用來(lái)通過高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。</p><p>　　將圖3.1.1.1低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖3.1.1.2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系

26、。</p><p>　　圖3.1.1.2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。</p><p>　　圖3.1.1.2 二階高通濾波器</p><p><b>　?。?）帶通濾波器</b></p><p>　　帶通濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。

27、</p><p>　　典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)改成高通而成。如圖3.1.1.3（a）所示。本電路的優(yōu)點(diǎn)是改變Rf和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。</p><p>　　圖3.1.1.3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。</p><p>　　圖3.1.1.3 二階帶通濾波器</p><p>　　3.1.2

28、濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)</p><p>　　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)，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，根據(jù)要求我們僅研究低通、高通、帶通三種濾波器。它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，

29、常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動(dòng)時(shí)，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。</p><p>　?。?）濾波器的傳輸函數(shù)</p><p>　　表3.1.2.1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表</p><p>　?。?）單元電路性能參數(shù)</p><p><b>　　

30、1）低通濾波器</b></p><p>　　二階低通濾波器的通帶增益</p><p>　　截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。</p><p>　　品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。</p><p><b>　　2）高通濾波器</b></p><p&

31、gt;　　二階高通濾波器的通帶增益</p><p>　　截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。</p><p>　　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。</p><p><b>　　3）帶通濾波器</b></p><p><b>　　通帶增益 </b><

32、;/p><p><b>　　中心頻率 </b></p><p><b>　　通帶寬度 </b></p><p>　　選擇性 </p><p>　　3.2 元件參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　3.2.1 二階低通濾波器</p><p>

33、;　　二階低通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為</p><p>　　ωC2＝１/（CC1RR1）</p><p><b>　　Q=0.707</b></p><p>　　ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 </p><p>　　AV=1+R4/R3 </p><p>　　3.2.2

34、 二階高通濾波器</p><p>　　二階高通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為</p><p>　　ωC2＝１/（CC1RR1） </p><p><b>　　Q=0.707</b></p><p>　　ωC /Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 </p><p>　　AV=1+R4/R3

35、 </p><p>　　3.2.3 二階帶通濾波器</p><p>　　二階帶通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為</p><p>　　ωC2＝(1/R1+1/R3)/R2C2 </p><p>　　Q=ω0/BW </p><p>　　AV=1+R4/R5(AV≤2) </p><p>&l

36、t;b>　　3.3 元器件選擇</b></p><p>　　電阻的選擇：根據(jù)參數(shù)計(jì)算得的結(jié)果和市場(chǎng)上所出售的請(qǐng)況而選擇，見附錄清單。</p><p>　　電容的選擇：根據(jù)電阻的確定和規(guī)定的截止頻率而選擇，見附錄清單。</p><p>　　運(yùn)放的選擇：本電路選擇了八管腳的UA741單運(yùn)放。</p><p><b>　

37、　其管腳圖如下，</b></p><p>　　圖3.2.1 Ua741管腳圖</p><p>　　圖3.2.2 uA741 內(nèi)部原理圖</p><p><b>　　3.4 工作原理</b></p><p>　　濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時(shí)抑制無(wú)用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運(yùn)算放大器、電容和

38、電阻可構(gòu)成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負(fù)載能力。由于受到集成運(yùn)算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場(chǎng)合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號(hào)能通過而高頻信號(hào)不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號(hào)能通過而該頻段之外的信號(hào)不能通過的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其

39、余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過。</p><p>　　4 電路的調(diào)試與分析</p><p>　　4.1 MultiSim軟件介紹</p><p>　　Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)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(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿

40、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)模混合電路和部分強(qiáng)電電路的仿真、分析和設(shè)計(jì)。</p><p>　　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(jiǎn)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)”課程中所有基本電路進(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(wú)法或不便

41、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。</p><p>　　應(yīng)用Multisim，便于實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊練的教學(xué)模式，使“電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)變得更有趣而容易。</p><p>　　4.2 MultiSim電路圖</p><p>　　（1）二階低通濾波器</p><p>　

42、　圖4.1.1二階低通濾波電路</p><p>　?。?）二階高通濾波器</p><p>　　圖4.1.2二階高通濾波電路</p><p>　?。?）二階帶通濾波器</p><p>　　圖4.1.3二階帶通濾波電路</p><p><b>　?。?）總濾波電路</b></p><

43、;p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　4.3 MultiSim仿真分析</p><p>　?。?）二階低通濾電路</p><p>　　圖4.2.1（a）低通濾電路輸入輸出波形圖</p><p>　　圖4.2.1（b）低通濾波電路的頻率特性</p><p>　　（2）二階高

44、通濾電路</p><p><b>　　圖4.2.2（a）</b></p><p><b>　　圖4.2.2（b）</b></p><p>　?。?）二階帶通濾電路</p><p><b>　　圖4.2.3（a）</b></p><p><b>

45、　　圖4.2.3（b）</b></p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是二階有源濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),由我們四個(gè)集體完成，此次課程設(shè)計(jì)將理論和實(shí)踐相結(jié)合。通過這次的課程設(shè)計(jì)拓寬了自己對(duì)模擬電子技術(shù)這門課的認(rèn)識(shí)，也增強(qiáng)了我的動(dòng)手操作能力，也鍛煉了自己的實(shí)踐能力，在此過程中我們采用了仿真和制板軟件Multisim和Alt

46、ium Designer。自已設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成了低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用Matlab或其他仿真軟件進(jìn)行仿真，所設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)，根據(jù)給定要求和電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)。</p><p>　　回想起此次課程設(shè)計(jì)過程中經(jīng)歷的種種困難，遇到不明白的問題時(shí)，與他人討論，查閱書籍的過程，所有的努力都指向一個(gè)明確的目標(biāo)。也深深地知道團(tuán)隊(duì)的力量是無(wú)窮大的

47、。我真的很感動(dòng)，此次課程設(shè)計(jì)不僅使我學(xué)會(huì)了不少東西，更讓我體會(huì)到人與人之間的溝通的樂趣，感謝此次課程設(shè)計(jì)過程中給予我們悉心指導(dǎo)的魏老師，使我們一起努力的完成了本次課程設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，1997.</p><p>　　[2]

48、謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試[M].3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[3] 童詩(shī)白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[4] 陸秀令、韓清濤.模擬電子技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007.</p><p><b>　　致謝</b&g