課程設(shè)計--帶通濾波器

1、<p><b>　　湘潭大學(xué)</b></p><p><b>　　集成電路課程設(shè)計</b></p><p><b>　　題目：帶通濾波器</b></p><p>　　學(xué) 院： 材料與光電物理學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 微電子

2、 </p><p>　　學(xué) 號： 2009700113 </p><p>　　姓 名： 閆少陽 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 唐明華 教授 </p><p>　　提交日期：2012年9月</p><p><b>　　目 錄</b&

3、gt;</p><p>　　摘要..............................................................................................................1</p><p>　　Abstract..................................................

4、........................................................2</p><p>　　1 引言..........................................................................................................3</p><p>　　2 濾波器的

5、分類............................................................................................5</p><p>　　3 級聯(lián)實現(xiàn)帶通濾波器原理...........................................................................6</p>&

6、lt;p>　　4 壓控電壓源二階有源帶通濾波器設(shè)計、仿真和測試.....................................7</p><p>　　4.1 壓控電壓源二階有源帶通濾波器理論概述.............................................7</p><p>　　4.2 壓控電壓源二階帶通濾波器電路模型..............

7、......................................7</p><p>　　4.3 壓控電壓源二階帶通濾波器電路特點....................................................8</p><p>　　4.4 設(shè)計要求......................................................

8、.......................................8</p><p>　　4.5 設(shè)計步驟.............................................................................................8</p><p>　　4.5.1 元器件的選擇與LM324介紹............

9、................................................8</p><p>　　4.5.2 multisim 仿真.................................................................................14</p><p>　　4.6 元器件的調(diào)整...............

10、......................................................................16</p><p>　　4.7 利用protel 99SE進(jìn)行電路板的制作......................................................16</p><p>　　4.8 電路板的測試...........

11、..........................................................................18</p><p>　　4.9 小結(jié)..................................................................................................18</p><

12、;p>　　5 結(jié)束語.....................................................................................................19</p><p>　　參考文獻(xiàn).............................................................................

13、.....................20</p><p>　　致謝.........................................................................................................21</p><p><b>　　帶通濾波器</b></p><p&

14、gt;　　摘要：近年來，各種基于電力電子技術(shù)的非線性裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，使得諧波危害日益嚴(yán)重。為了保證電力系統(tǒng)的安全運行，必須對諧波污染進(jìn)行治理，以改善電能質(zhì)量。</p><p>　　就當(dāng)前的工業(yè)現(xiàn)實而言，抑制諧波的基本手段是裝各類濾波補償裝置。無源濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性好，但易受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響與系統(tǒng)發(fā)生諧振，且僅能補償固定頻率的諧波。而有源濾波器則可以解決這些問題，并且可以自動跟蹤補償變化

15、的諧波，具有高度可控性，因而具有極高的發(fā)展前景。</p><p><b>　　本文的主要內(nèi)容有：</b></p><p>　　1. 壓控電壓源二階有源帶通濾波器理論，包括其數(shù)學(xué)模型和典型參數(shù)[1]；</p><p>　　2. 介紹集成運放LM324的結(jié)構(gòu)、引腳及性能參數(shù)；</p><p>　　3. 軟件protel 99

16、SE[2] 和 multisim 10的簡要介紹；</p><p>　　4. 設(shè)計、仿真、制作一個二階壓控電壓源濾波器，并對其進(jìn)行測試[3]。</p><p>　　關(guān)鍵詞：帶通濾波器；中心頻率；通頻帶帶寬；multisim 9；protel 99SE；仿真</p><p>　　Band-pass Filter</p><p>　　Abstra

17、ct：In recent years, various based on power electronic technology of nonlinear device in power system are applied widely, making the increasingly serious harmonic harm. In order to ensure the safe operation of the power s

18、ystem harmonic pollution, it is necessary to undertake administrative, in order to improve the quality of power.</p><p>　　Of the current industrial real character, restrain harmonics of the basic means is pa

19、cked all kinds of filter compensation devices. Passive filter structure is simple, economical, but vulnerable network impedance and running state affecting and system in resonance, and only can compensate fixed frequency

20、 harmonics. And active filter may solve these problems, and can be used to monitor the changes of harmonic compensation, highly controlled, thus has the high development prospects.</p><p>　　The main content

21、of this article are:</p><p>　　1. The voltage controlled voltage source second-order active band-pass filters theory, including its mathematical model and the typical parameters[1];</p><p>　　2. I

22、ntroduce the structure, pins and performance parameters of integrated op-amp LM324 ;</p><p>　　3. Software protel 99[2] and multisim brief introduction;</p><p>　　4. Design, make a second order vo

23、ltage controlled voltage source filter, and carries on the test[3];</p><p>　　Key words: band-pass filter;Center frequency;Bandpass bandwidth；multisim 9；protel 99SE；simulate</p><p><b>　　1 引

24、言</b></p><p><b>　　1.1 濾波器作用</b></p><p>　　測量和分析工程信號時，往往只需對特定頻率或者特定頻率范圍的信號進(jìn)行測量和分析，但在實際工程信號中，往往包含各種各樣的干擾信號或者說是人們不感興趣的信號。為了消除這些信號所產(chǎn)生的不良影響，人們最先想到的就是利用一個理想的帶通濾波器，將這些干擾信號全部剔除。但理想帶通濾波器

25、僅在理論上存在，實際設(shè)計和應(yīng)用的帶通濾波器只能盡可能地逼近理想的帶通濾波器。</p><p>　　1.2 軟件protel 99SE 和 multisim 10的簡要介紹</p><p>　　Protel 99SE概述：</p><p>　　Protel 99SE是ProklTechnology公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計軟件。該軟件功能強大，人機

26、界面友好，易學(xué)易用，仍然是大中專院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計工具。Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計（Advanced Schematic）和多層印刷電路板設(shè)計（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schematic）和元件庫編輯器（Schematic Library）[2]。</p><p>　　Prote

27、l99 SE共分5個模塊,分別是原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。 以下介紹一些Protel99 SE的部分最新功能：◆可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表</p><p>　　◆強大的全局編輯功能</p><p>　　◆在原理圖中選擇一級器件,PCB中同樣的器件也將被選中</p><p>　　◆同時運行原理

28、圖和PCB,在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　◆既可以進(jìn)行正向注釋元器件標(biāo)號（由原理圖到PCB）,也可以進(jìn)行反向注釋（由PCB到原理圖）,以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計上的一致性</p><p>　　◆滿足國際化設(shè)計要求（包括國標(biāo)標(biāo)題欄輸出,GB4728國標(biāo)庫）,方便易用的數(shù)?；旌戏抡?兼容SPICE 3f5)</p><

29、p>　　◆支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計PLD,生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件,PCB可設(shè)計32個信號層,16個電源-地層和16個機加工層</p><p>　　◆強大的“規(guī)則驅(qū)動”設(shè)計環(huán)境,符合在線的和批處理的設(shè)計規(guī)則檢查</p><p>　　◆智能覆銅功能,覆鈾可以自動重鋪</p><p>　　◆提供大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板做為設(shè)計模版</p><

30、;p><b>　　◆放置漢字功能</b></p><p>　　◆可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件,實現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換</p><p>　　◆智能封裝導(dǎo)航（對于建立復(fù)雜的PGA、BGA封裝很有用）</p><p>　　◆方便的打印預(yù)覽功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印結(jié)果</p><p>

31、;　　◆獨特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果</p><p>　　◆強大的CAM處理使您輕松實現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機文件、測試點報告等</p><p>　　◆經(jīng)過充分驗證的傳輸線特性和仿真精確計算的算法,信號完整性分析直接從PCB啟動</p><p>　　◆反射和串?dāng)_仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測量工具相結(jié)合</p><

32、;p>　　◆專家導(dǎo)航幫您解決信號完整性問題</p><p>　　multisim 10概述：</p><p>　　◆通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路</p><p>　　◆通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為</p><p>　　◆借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征</p><p>　　◆通過一

33、個工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試</p><p>　　◆通過改進(jìn)、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短上市時間</p><p>　　NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，

34、您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。</p><p><b>　　2 濾波器分類</b></p><p>　　濾波器在電子電路中是一種對干擾信號或是無用的信號進(jìn)行濾除的一種裝置，包括電抗性元件L、C構(gòu)成的無源濾

35、波器、由集成運算放大器組成的有源濾波放大器，以及三極管濾波器等。</p><p><b>　　濾波器分類:</b></p><p>　　按濾波器的組成元件的不同可以分為無源濾波器和有源濾波器。</p><p>　　按照濾波器的頻率特性不同，濾波器通?？梢苑譃樗念悾旱屯V波器、高通濾波器、帶阻濾波器、帶通濾波器。</p><p

36、>　　低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。</p><p>　　高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。</p><p>　　帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。</p><p>　　帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。</p>

37、;<p><b>　　兩類響應(yīng)</b></p><p>　　巴特沃斯響應(yīng)（最平坦響應(yīng)）</p><p>　　巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦，非常接近DC信號，然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用，其對于維護(hù)增益的平坦性來說非常重要。

38、</p><p><b>　　切貝雪夫響應(yīng)</b></p><p>　　在一些應(yīng)用當(dāng)中，最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。</p><p><b>　　方案選擇：</b></p><p>　　帶通濾波器設(shè)計有幾種方案，

39、方案一為低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)，運用兩個運放，四階濾波，對應(yīng)的幅頻響應(yīng)為-40 dB/十倍頻；方案二為直接用一個運放實現(xiàn)帶通，二階濾波，對應(yīng)的幅頻響應(yīng)為-20 dB/十倍頻。雖然方案一更精確，但這里由于元器件的限制，為方便起見，簡要介紹下方案一的原理，實際操作按方案二進(jìn)行。</p><p>　　3 級聯(lián)實現(xiàn)帶通濾波器的原理</p><p>　　帶通濾波器是由高通RC環(huán)節(jié)和低通RC環(huán)節(jié)組

40、成。要將高通的下限截止頻率</p><p>　　ω2設(shè)置小于低通的上限截止頻率ω1。設(shè)計如圖：</p><p>　　Vi Vo</p><p><b>　　A</b></p><p>　　0阻帶通帶阻帶

41、</p><p><b>　　ω</b></p><p>　　圖1 方案一帶通濾波器原理</p><p>　　在有源濾波器中，除集成運算放大器外，常包含復(fù)雜的無源網(wǎng)絡(luò)，它是RC元件的組合，在分析時利用“拉普拉斯”變換將電流電壓變成“像函數(shù)”同時引入運算阻抗代替無源元件RC，求解有源濾波器的傳遞函數(shù)。將信號從時域轉(zhuǎn)變到頻域，輸入輸出信號都可分解

42、成若干頻率信號。傳遞函數(shù)：</p><p>　　它有幅頻特性,相頻特性。對于有源濾波器利用運放實現(xiàn)放大作用，所以RC環(huán)節(jié)實現(xiàn)濾波功能。其中有n個RC濾波環(huán)節(jié)就為n階濾波，運放使濾波器與負(fù)載隔離，增強了帶負(fù)載的能力。</p><p>　　4 壓控電壓源二階有源帶通濾波器設(shè)計、仿真和測試</p><p>　　4.1 壓控電壓源二階有源帶通濾波器理論概述</p>

43、;<p>　　帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)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，與帶阻濾波器的概念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路(RLC circuit)。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。</p><p>　　4.2 壓控電壓源二階帶通濾波器電路模型</p><p>　　圖2 壓控電壓源帶通濾波器模型<

44、/p><p><b>　　其傳輸函數(shù)為：</b></p><p><b>　　中心角頻率為：</b></p><p><b>　　通帶帶寬為：</b></p><p>　　中心頻率處電壓的放大倍數(shù)為：</p><p><b>　　其中，</b

45、></p><p>　　4.3 壓控電壓源二階帶通濾波器電路特點</p><p>　　1) 只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)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。</p><p>　　2) 調(diào)節(jié)R、,可調(diào)整增益，中心頻率不變，帶寬改變。</p><p><b>　　4.4 設(shè)計要求</b>

46、</p><p>　　設(shè)計一個二階壓控電壓源帶通濾波器，要求中心頻率為1KHZ，品質(zhì)因數(shù)為10，增益等于2。</p><p><b>　　4.5 設(shè)計步驟</b></p><p>　　4.5.1 元器件的選擇與LM324介紹</p><p><b>　　參</b></p><p&

47、gt;<b>　　數(shù)</b></p><p><b>　　K</b></p><p><b>　　中心頻率（a）</b></p><p><b>　　參</b></p><p><b>　　數(shù)</b></p><p

48、><b>　　K</b></p><p><b>　　中心頻率（b）</b></p><p><b>　　參</b></p><p><b>　　數(shù)</b></p><p><b>　　K</b></p><

49、p><b>　　中心頻率（c）</b></p><p>　　圖3 參數(shù)K和頻率的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)上面參數(shù)K與頻率關(guān)系圖和公式:</p><p>　　其中，中心頻率單位為HZ，電容單位為μF,選定C=22nF，則得到，K=4.55。</p><p><b>　　根據(jù)設(shè)計表：</b>

50、;</p><p>　　表1 電路元件值（Q=10）</p><p>　　K=4.55時，R1=72.41kΩ,R2=5.31kΩ,R3=10.61kΩ,R4=R5=21.22kΩ。</p><p>　　取R1=72kΩ,R2= 5.3kΩ,R3=10.62 kΩ,R4=R5=21.3 kΩ。</p><p><b>　　LM324

51、</b></p><p><b>　　四運算放大器</b></p><p><b>　　圖4 LM324</b></p><p>　　★ LM324內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的

52、使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 </p><p>　　LM324的封裝形式為塑封14引線雙列直插式。</p><p>　　特點 </p><p><b>　　★ 內(nèi)部頻率補償 </b></p><p>　　

53、★ 直流電壓增益高(約100dB) </p><p>　　★ 單位增益頻帶寬(約1MHz) </p><p>　　★ 電源電壓范圍寬：單電源(3—32V)； </p><p>　　雙電源(±1.5—±16V) </p><p>　　★ 低功耗電流，適合于電池供電 </p

54、><p><b>　　★ 低輸入偏流 </b></p><p>　　★ 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 </p><p>　　★ 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 </p><p>　　★ 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 </p><p>　　★ 輸出電壓擺幅大(0至VCC-1.5V) </p>

55、;<p><b>　　圖5 內(nèi)部電路圖</b></p><p><b>　　表2 極限參數(shù)</b></p><p>　　表3 電參數(shù)（除非特別說明，Vcc=5.0V,VEE=GND,TA=25℃）</p><p>　　表4 電參數(shù)（除非特別說明，Vcc=5.0V,VEE=GND,0℃≤TA≤70℃）</

56、p><p><b>　　圖6 管腳排列圖</b></p><p><b>　　圖7 外形尺寸圖</b></p><p>　　4.5.2 multisim 仿真</p><p><b>　　1) 電路原理圖</b></p><p>　　圖8 multisim

57、仿真電路</p><p>　　利用multisim 10進(jìn)行電路的仿真</p><p>　　中心頻率為1.006KHZ,中心頻率處增益為5.957dB。</p><p>　　圖9 multisim仿真波特圖</p><p>　　3 dB截止頻率為1.05 KHZ和946.805 HZ</p><p>　　通帶帶寬為BW

58、=1050-946.805=103.195 HZ</p><p>　　電路品質(zhì)因數(shù)為Q=f0/BW=9.75</p><p>　　4.6 元器件的調(diào)整</p><p>　　鑒于元器件所需要的電阻并不齊全，對電阻值進(jìn)行調(diào)整，以方便焊接電路板。R1=75 K,R2=10 K,R3=5.6 K,R=22 K,Rf=24 K。（以Altium designer畫圖為基準(zhǔn)）&

59、lt;/p><p>　　4.7 利用protel 99SE進(jìn)行電路板的制作</p><p><b>　　1) 電路原理圖</b></p><p>　　圖10 Altium designer畫圖</p><p><b>　　PCB布線</b></p><p>　　圖11 Altiu

60、m designer畫pcb圖</p><p>　　4.8 電路板的測試</p><p>　　1) 輸入信號幅值為1 Vpp時，輸出電壓與輸入頻率之間的對應(yīng)關(guān)系的測量與處理</p><p>　　2) 典型參數(shù)的測量與計算</p><p>　　表5 對應(yīng)頻率的輸出電壓</p><p>　　根據(jù)表格可知，中心頻率為1140

61、 HZ，中心頻率處增益為6.100。</p><p>　　測量得到，幅值為4.31 Vpp（6.10*0.707=4.31）所對應(yīng)的頻率為1090 HZ和1220 HZ，所以，計算得到，通帶帶寬為BW=1220-1070=130 HZ，品質(zhì)因數(shù)Q=1140/130=8.77。</p><p>　　3) 測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析</p><p>　　元器件焊到電

62、路板后，用萬用表測得R1=75 K,R2=10.6 K,R3=5.7 K,R=22 K,Rf=24 K。由于R2,R3電阻與仿真時有偏差，以及其他一些環(huán)境、溫度、介質(zhì)材料等客觀因素的影響，實際的Q值偏小1.00，帶寬偏大27 HZ,中心頻率偏大134 HZ。另外，阻帶的衰減還不夠快。</p><p><b>　　4.9 小結(jié)</b></p><p>　　本文給出了帶通

63、濾波器的設(shè)計基本過程，首先確定濾波器的原理以及實現(xiàn)方式，接著用multisim軟件進(jìn)行理想化的仿真確定理想目標(biāo)。通過Altium designer軟件對原理圖的設(shè)計，制作出pcb板實物進(jìn)行仿真測試分析，雖然結(jié)果距離理想的濾波器有一定差距，但鑒于pcb制作板材和工具的限制，以及制作過程中不可避免的細(xì)節(jié)問題，和測量工具的局限，得到的結(jié)果大致符合。</p><p><b>　　5 結(jié)束語</b>&

64、lt;/p><p>　　本次課程設(shè)計雖然只是一個很小的工作，但在完成設(shè)計中卻動用了相當(dāng)于一個項目研究的過程，從查資料到看資料，完成設(shè)計需要軟件的選擇，學(xué)習(xí)使用軟件，軟件分析與實物想結(jié)合進(jìn)行測試驗證，確實鍛煉不少。模電知識忘記很多，花費了很大的精力去理解濾波器以及放大倍數(shù)、傳輸函數(shù)等內(nèi)容，覺得學(xué)過的東西卻不會很是尷尬，覺得還是自己理解不到位，以后會吸取教訓(xùn)把東西學(xué)精通。</p><p>　　模電

65、學(xué)習(xí)雖然總是遇到multisim軟件，但是卻沒用過，因為設(shè)計需要簡要學(xué)習(xí)了一下基本的使用，還是覺得multisim也挺強大的，作為理想化分析的一款軟件確實很不錯。因為protel 99SE和Altium designer 兩款軟件幾乎相同，而我在參加一些比賽中用的Altium designer，因此本次設(shè)計選用了Altium designer，很輕松設(shè)計了電路圖，畫出pcb進(jìn)行分析。</p><p>　　本次設(shè)計

66、的遺憾是沒有選擇其他題目，沒有用Hspice、Pspice、Cadence進(jìn)行設(shè)計仿真，以后會自己再使用的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[2] 李珩，楊杉，歐大生.電路設(shè)計與制板[M].西安電

67、子科技大學(xué)出版社,2004.</p><p>　　[3] 寧武，唐曉宇，閆曉金.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽基本技能指導(dǎo)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.</p><p><b>　　致謝：</b></p><p>　　非常感謝唐明華教授一直以來對我們的悉心指導(dǎo)和大力支持，他所教授《超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)導(dǎo)論》使我受益匪淺，而且讓我對《模擬電子