課程設(shè)計(jì)--無源濾波器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　題目無源濾波器電路設(shè)計(jì)</p><p>　系(部)電子與通信工程系</p><p>　專業(yè)(班級)電氣工程及其自動(dòng)化一班</p><p>　姓名</p><p>　學(xué)號</p><p>　指導(dǎo)教師<

2、;/p><p>　起止日期2012.12.9-2012.12.14</p><p>　　模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(3)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一．無源濾波器的簡介4</p><p>　　二．無源濾波器原理與電路分析5</p><p>

3、;<b>　　三．電路仿真6</b></p><p>　　1.1無源低通濾波器6</p><p>　　1.2無源高通濾波器8</p><p>　　1.3無源帶通濾波器10</p><p>　　1.4無源帶阻濾波器13</p><p>　　四.設(shè)計(jì)心得與體會(huì)15</p>&

4、lt;p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　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；</p><p>　　高吉祥，《電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)》，北京：電子工業(yè)出版社，2005；</p><p>　　童詩白，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，北京：高等教育出版社，1988；</p><p

5、>　　康華光，《電子技術(shù)基礎(chǔ)——模擬部分》，北京：高等教育出版社，2006</p><p><b>　　本課程教材</b></p><p>　　一．無源濾波器的簡介</p><p>　　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

6、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。 </p><p>　　無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、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。</p><p>　　無源濾波器的分類：無源濾波器主要可以分為兩大類：調(diào)諧濾波器和高通濾波器。</p><p>　　調(diào)諧濾波

7、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；</p><p>　　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。 </p><p>　　無源濾波器的發(fā)展歷程：1917年美國和德國科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器

8、，次年導(dǎo)致了美國第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)?！?0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)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺階，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發(fā)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。

9、　　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?！?0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。</p><p>　　二．無源濾波器原理與電路分析</p><p>　　根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻止信號頻率范圍的不同，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)

10、際幅頻特性的示意圖。</p><p>　　濾波器是對輸入信號的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率（通常是某個(gè)頻率范圍）的信號通過，而其它頻率的信號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。</p><p>　　濾波器的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)H（jω），又稱為正弦傳遞函數(shù)。它可用下式表示：　　</p>

11、<p>　　式中A(ω)為濾波器的幅頻特性，θ(ω)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。 </p><p>　　低通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(a)所示，圖中|H(jωC)|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ωC的低頻信號，而對大于ωC的所有頻率則衰減，因此其帶寬B=ωC.</p><p>　　高通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(b)

12、所示.由圖可以看到，在0<ω<ωC范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于ωC的頻率為通帶。</p><p>　　帶通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖(c)所示。圖中ωCl為下截止頻率，ωCh為上截止頻率，ω0為中心頻率。由圖可知，它有兩個(gè)阻帶：0<ω<ωCl和ω>ωCh，因此帶寬B=ωCh-ωCl。</p><p>　　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

13、：0<ω<ωCl及ω>ωCh和一個(gè)阻帶ωCl<ω<ωCh。因此它的功能是衰減ωCl到ωCh間的信號。通帶ω>ωCh也是有限的。</p><p>　　帶阻濾波電路阻帶中點(diǎn)所在的頻率ωZ叫零點(diǎn)頻率。</p><p>　　二階基本節(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:</p><p>　　低通

14、 高通</p><p>　　帶通 帶阻</p><p>　　式中K、ωp、ωz和Ｑp分別稱為增益常數(shù)、極點(diǎn)頻率、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</p><p>　　低通 高通</p><p>　　帶通 帶阻</p><p&

15、gt;<b>　　各濾波器的電路圖：</b></p><p><b>　　三．電路仿真</b></p><p>　　1.1 無源低通濾波器</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　從圖中可以看出截止頻率，表明此濾波器可以濾掉頻率超過5.878KH

16、z的波。</p><p>　　根據(jù)二階基本節(jié)低通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)式：</p><p>　　可得增益常數(shù)K=1，極點(diǎn)頻率和極偶品質(zhì)因數(shù)。</p><p>　　正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：</p><p><b>　　幅值函數(shù)為：</b></p><p><b>　　由上式可

17、知：</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p>　　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通過的特性</p><p&g

18、t;　　1.2無源高通濾波器</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　從圖中可以看出截止頻率,可以濾掉頻率低于44.499KHz的波.</p><p><b>　　電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為：</b></p><p>　　根據(jù)二階基本節(jié)高通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)式：</

19、p><p>　　可得增益常數(shù)K=1，極點(diǎn)頻率，極偶品質(zhì)因數(shù)。</p><p>　　正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：</p><p><b>　　幅值函數(shù)為：</b></p><p><b>　　由上式可知：</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)， </b>

20、;</p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p>　　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通過的特性</p><p>　　1.3無源帶通濾波器</p><p><b>　　原理圖如下：</

21、b></p><p>　　從圖中可以看出中心頻率.</p><p>　　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：</p><p><b>　　修正后的仿真圖：</b></p><p>　　即R1改為100Ω，R2改為1000Ω，C1改為1μF，C2改為0.1μF</p><p

22、>　　然后經(jīng)測試之后的仿真圖為：</p><p>　　可以測出通帶寬度B=11876.701Hz</p><p>　　正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：</p><p><b>　　幅值函數(shù)為：</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，稱為帶通濾波器的中心頻率，即</p><p>　　截止頻率是幅值

23、函數(shù)自下降3db(即)時(shí)所對應(yīng)的頻率。由｜H(jω)｜的表達(dá)式可得</p><p><b>　　對上式求解得</b></p><p>　　，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。</p><p><b>　　通頻帶寬度B為</b></p><p><b>　　品質(zhì)因數(shù)Q為</b>&l

24、t;/p><p>　　可見二階帶通濾波器的品質(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)。</p><p>　　由｜H(jω)｜的表達(dá)式可知：</p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p>

25、　　當(dāng)時(shí)，信號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)</p><p><b>　　于是通帶寬度</b></p><p>　　1.4無源帶阻濾波器</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　由圖可以看出中心頻率f=1.389MHz</p><

26、;p>　　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：</p><p>　　即C1改為100nf ，C2也改為100nf。然后得到以下仿真圖：</p><p>　　可以測出阻帶寬度B=6679.053Hz.</p><p>　　正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成：</p><p><b>　　幅值函數(shù)為：</b>

27、;</p><p>　　當(dāng)時(shí)，稱為帶阻濾波器的中心頻率，即</p><p>　　截止頻率是幅值函數(shù)自下降3db(即)時(shí)所對應(yīng)的頻率。由｜H(jω)｜的表達(dá)式可得</p><p><b>　　對上式求解得</b></p><p>　　，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。</p><p><b&g

28、t;　　阻頻帶寬度B為</b></p><p><b>　　品質(zhì)因數(shù)Q為</b></p><p><b>　　然后可知阻帶寬度</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)心得與體會(huì)</b></p><p>　　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

29、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)

30、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論知識，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)構(gòu)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，這對我的整個(gè)仿真過程造成了不小的麻煩，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

31、口氣。當(dāng)初我還擔(dān)心我做不來這個(gè)設(shè)計(jì)，但是當(dāng)我把仿真做好的時(shí)候，</p><p>　　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

32、各樣的問題。在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，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，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)了自身存在的不足之處，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困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。通過這次設(shè)計(jì)，我懂得了