电子技术课程设计-基于EDA软件的带通滤波器设计与仿真.doc

西华大学课程设计说明书说明书 成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称： 电子技术课程设计 题 目：基于eda软件的带通滤波器 设计与仿真 学 生 姓 名： 专 业： 学 号： 指 导 教 师： 日期：2010年 7月 18 日1 前言1.1 mutisim multisim 是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于电路仿真与设计的eda软件，又称“虚拟电子工作台” 。multisim 是在eba（electronics workbench）的基础上发展起来的，很大程度地增强了软件的仿真测试和分析功能，大大地扩充了元件库中的仿真元件数量，是仿真设计更精确、可靠在电子设计领域，eda设计和仿真是一个十分重要的设计环节。众多的eda设计和仿真软件中，multisim 以其强大的仿真设计应用功能，在各高校电信类专业电子电路的仿真设计中得到了较广泛的应用。multisim 及其相关库的应用对提高科研人员和学生的仿真设计能力，更新设计理念有较大的帮助。multisim 软件最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是multisim的一大特色。multisim 所包含的虚拟仪表有：示波器、万用表、函数发生器、波特图图示仪、失真度分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪、网络分析仪等。而通常一个普通和实验室是无法提供这些设备的。这些以其的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。本文以multisim 为仿真设计平台，利用界面直观的原理图设计工具完成电路设计，赢使用提供的各种仿真一起深入分析带通滤波器电路。1.2 滤波器的基本概念 滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号。滤波器的分类：按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种，按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种，按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种，按滤波器的安放位置不同，一般分为板上滤波器和面板滤波器。滤波器的设计：滤波器特性可以用其频率响应来描述，按其特性的不同，可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。用来说明滤波器性能的技术指标主要有：1.中心频率f0，即工作频带的中心2.带宽bw3.通带衰减，即通带内的最大衰减 4.阻带衰减对于实际滤波器而言，考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值（因为受限于材料与工艺的水平），所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器，因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。现代滤波器设计，多是采用滤波器变换的方法加以实现。主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换，来得到新的目标滤波器。1.3 带通滤波器的基本原理 带通滤波器（band-pass filter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如rlc振荡回路就是一个模拟带通滤波器。 一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带（bandpass,允许通过的频带），同时限制所有通带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率的波。事实上，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率(roll-off)。滚降斜率通常用db度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。1.4滤波器的设计方法 滤波电路是频率选择电路，只允许频带内频率的信号通过，则按通带区分，滤波器又可分为低通、高通、带通、带阻和全通五种。由于高通、带通和带阻滤波器的传递函数都能经过频率变换从低通滤波器转移函数求得，所以我们把低通滤波器称为原型低通滤波器。不论涉及任何滤波器，我们都是先把该种滤波器的技术要求转变到相应的低通滤波器的技术要求，然后设计低通滤波器得到转移函数，最后再经过频率变化把低通滤波器转移函数转换到所求的滤波器的转移函数。涉及滤波器的任务是力求向理想特性逼近。2总体方案设计2.1方案比较方案1 ：无源带通滤波器 图（1）无源带通滤波器电路电路构成：主要由电阻电容构成。 方案2 ：有源带通滤波器 有源滤波器可以根据阶数不同分，但是总体框图如下所示：非线性负载电源 接口电感 或变压器 开关模式 功率输出 系统参量 接口 检测单元 选通信号 发生器 补偿 变量 控制信号 中央控制 参考量 参考量 单元 估算单元 图（2）有源滤波器的基本框图电路构成：主要由电源、电阻电容以及运算放大器这三个部分构成。 （图3） 二阶有源带通滤波器电路 高通低通串联 （图4）带通滤波器框图图3所示为二阶有源带通滤波器，而图4所示为有源低通和高通直接串联所得。虽然都是带通滤波器，但是他们的影响因数却大有不同。2.2 方案论证 无源滤波器：仅由无源元件(r、l 和c)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感l较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。有源滤波器：由无源元件(一般用r和c)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。而在有源滤波器的图三二阶带通和图四的由低通和高通直接串联进行比较，对于参数的影响图四的更有利。但是，无源滤波电路只是由电阻、电感、电容组成，无源滤波电路的应用受到许多限制；有源滤波电路是使用了理想运算放大器的滤波电路，相比无源滤波器有很多优 点，例如有源滤波器不用电感就能形成带通和带阻滤波器，因电感通常较为笨重，且磁场会影响期望的频率响应特性；再者无源滤波器没有放大的能力，而有源滤波 器能对幅值进行控制放大；最后，无源滤波器的截止频率和通带幅值有负载效应，但有源滤波器克服了这个缺陷。而且，无源滤波器的缺点也是非常明显的：1）因为一般都是滤除次数较低的谐波，要求元件的参数较大，较笨重；2）电源的阻抗特性会直接影响到滤波器的补偿特性，为了达到较好的补偿效果，通常需要对所补偿的系统进行分析计算并实际测量，专门进行设计才能达到；3）系统频率偏移会严重影响滤波特性，若想在较宽的系统频率范围内都能达到满意的效果，则要用较复杂的设计，系统将会异常复杂和庞大；4）在系统设计中要充分考虑谐振问题，避免造成系统损坏。当无源滤波器的使用受到上述问题制约时，有源滤波器便显示出了它的优势。2.3方案选择基于以上的方案比较以及方案论证和我们组的具体情况，我们决定采取更具有优势的第二种方案，即设计一个有源带通滤波器电路。具体的有源带通滤波电路的参数如下。要求：1）信号通过频率范围f在100hz至10khz；2）滤波电路在1khz的幅频响应必须在1db范围内，而在100hz至10khz滤波电路的幅频衰减应当在1khz时值的3db范围内；3）在10hz时幅频衰减应为26db，而在100khz时幅频衰减应至少为16db。分析：这是一个通带频率范围约为100hz10khz的带通滤波电路，在通带内我们设计为单位增益。根据所设计的电路要求，在频率低端f=10hz时，幅频响应至少衰减26db,在频率高端f=100khz时，幅频响应要求衰减不少于16db。因此可以选择一个二阶低通滤波电路的截止频率fh=10khz，一个二阶高通滤波电路的截止频率fl=100hz，有源器件采用运放cf4129(lf412)，将这两个滤波电路串联起来就构成了所要求的带通滤波电路。3.单元模块电路设计3.1低通模块 图（3） 二阶有源低通滤波电路 图中，r1=r2 =r ，c1=c2=c ，rf = r4 =(avf -1)r3 , 此电路是有两节rc滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。而同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即 a0 = avf= 1+(avf -1) r1/ r1。 对于低通滤波电路，其理想的幅频响应如下图所示，图中a0表示低频增益，|a|为增益的幅值。由图可知，它的功能是通过从零到某一截止角频率h 的低频信号，对大于h的所有频率则给予衰减，因此其带宽bw =h/2。 |a| a0 通带 阻带 0 l 图（4） 低通滤波电路理想的幅频响应3.2 高通模块 图（5） 二阶有源高通滤波电路 图中，r1=r2 =r ，c1=c2=c ，rf = r4 =(avf -1)r3。将二阶有源低通滤波电路中的r和c位置互换，则得到此有源高通滤波电路。对于高通滤波器，其理想的幅频响应如下图所示。由图可以看到，在0l 范围内的频率为阻带，高于l的频率为通带。从理论上来说，它的宽带，但实际上，由于受有源器件和外接元件以及杂散参数的影响，宽带受到限制，高通滤波的宽带也是有限的。 |a| a0 . 阻带 通带 0 l 图（6） 高通滤波电路理想的幅频响应3.3 带通模块 |a| 低通 0 h |a| 高通 0 l |a|高通低通 vi vo 带通 （a） 0 l （b） 图（7） 带通滤波电路构成示意图 （a）原理框图 （b）理想的幅频响应 图（8） 带通滤波器电路此电路为由低通和高通两级串联的带通滤波电路。1）对电路的基本分析：根据题目的要求，经过分析我们可以用一个二阶低通滤波电路的截止频率fh=10khz，一个二阶高通滤波电路的截止频率fl=100hz，有源器件采用运放cf4129(lf412)，将这两个滤波电路串联如图（8）所示，就构成了所要求的带通滤波电路。经查资料我们找到了二阶巴特沃思滤波器的avf1=1.586，因此，由两级串联的带通滤波电路的通带电压增益avf1=（1.586）2.515，由于所需要的带通增益为0db，因此在低通滤波器输入部分加入了一个由电阻r1、r2组成的分压器。2）元件的参数选择和计算：在选用元件时，应当考虑由于元件参数值误差对传递函数存在影响。现规定选择电阻值的容差为1%，电容值的容差为5%。由于每一电路包含若干个电阻器和两个电容器，预计实际截止频率可能存在较大的误差（也许是10%）。为确保在100hz和10khz处的衰减不大于3db。现以额定截止频率90hz和11khz进行设计。在运放电路中的电阻不宜选择过大或过小。一般为几千欧至几十千欧较合适。因此，选择低通级电路的电容值为1000pf，高通级电路的电容值为0.1uf。由算得r3=14.47k，现选择标准电阻值r3=14k。对于高通级可作同样的计算。由于已知c=0.1uf和fl=90hz，可求得r7=r818k。考虑到已知avf1=1.568，同时尽量要使运放同相输入端和反相输入端对地的直流电阻基本相等，现选择r5=68k,r10=82k,由此可计算出r4=（avf1-1）r539.8k,r9=（avf1-1）r1048k，其容差为1%。设计完成的电路如图（8）。信号源vi通过r1和r2进行衰减，它的戴维宁电阻是r1和r2的并联值，这个电阻应当等于低通级电阻r3（=14k）。因此有=14k（公式1）。由于整个滤波电路通带增益是电压分压器比值和滤波器部分增益的乘积，且应等于单位增益，故有（公式2），联解公式1和公式2，并选择容差为1%的额定电阻值，得r1=35.7k和r2=23.2k。3.4 电源模块 vi 整流 滤波 稳压 v0 图（9） 电源框图 图（10） 电源电路图在整流电路之前我们需要用到变压器将电网供给的220v电压变成整流电路所需要的交流电压。由整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电压，再滤波电路滤去整流输出电压中的纹波，最后经过稳压电路得到我们所需要的5v电压。在稳压电路中我们采用了集成器件7805和7905。4系统调试 根据我们所选择的设计方案，将设计的原理电路图进行仿真，在运放电路中的电阻不宜选择过大或者太小，一般为几千欧至几十千欧较合适。因此，选择低通级电路的电容值为1000pf，高通级电路的电容值为0.1uf。然后又式 ，可以计算出精确的电阻值。对于低通级，由于已知c=1000pf和 =11khz ，由于算得=14.47k现选择标准电阻值=14.0k。对于高通级也做同样的计算。由于已知c=0.1uf和=90hz，可求得。考虑到已知,同时尽量要使运放同向输入端和反向输入端对地的直流电阻基本相等，现选择。由此可以计算出，其容差为1。设计完成的仿真图如图11所示，信号源通过进行衰减，它的戴维宁电阻是的并联值，这个应当等于低通级电阻。因此，有=14k 由于整个滤波电路通带增益是电压分压器比值和滤波器部分增益的乘积，且应等于单位增益，故有， 联解上面两式，并选择容差为1的额定电阻值，得。由此可以得到所有电阻和电容参数，并将计算结果带入可以得到如下仿真图： 图（11）根据仿真图可以看出，这些元件的参数搭配所得带通不满足我们设计的要求，该图在100hz、10hz和100khz时的的幅频衰减都大于了我们的要求，由此可以推断出，在高通和低通部分的参数选择不合理，根据高通和低通的原理，现在将高通和低通部分的参数进行修改以便能够满足要求。 （图12） 根据修改参数后的仿真图可以看出，现在的图达到了我们所要设计的带通宽度，同时在10hz时幅频衰减为26d b ,但是该图在100khz时的衰减大于了16d b,说明在修改的低频参数的电阻、电容值的搭配还不完全合理，应该使得低通的衰减速度慢些。以此为改变参数的依据来调整r、c的大小。根据设计要求和调整结果，可得到我们所要设计的电路仿真图，如下所示： 图（13） 5设计总结 在本次设计过程中遇到了不少问题，在陈海川老师的指导帮助下才顺利的完成了本次课程设计，在此表示衷心的感谢。本次课程设计是对所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础以及电工电子技术实验的高度总结与应用，在设计的过程中遇到了很多问题，这些问题都是该在学习的过程中发现的，但是从来也没有想过这些问题，直到真正需要将理论所学的应用在实践中的时候，才明白了对于技术这样一门课程，实践是多么的重要，而且理论上的东西大多的理想化的，就像我们这次的课程设计一样，在根据理论的原理和公式来计算电阻、电容值的时候，原本以为这样计算出来就能够达到我们所要求的标准了，没想到，按照计算的数值一点不差的带入元件参数，仿真出来的结果却出乎了自己的意料，这下不知所措了，也不知道是自己哪里算错了，还是自己的思维就错了，公式用错了，想来想去也想不明白，而且感觉心里特别不舒服，去问问懂的同学吧！这下好了，问的结果很意外，他说：“书上很多都是不被实践所证明的，在理论设计和计算的过程中，根本没有考虑到元件之间的影响和元件本身存在的精度误差这一切的小影响都会换来结果上的差异，你可以根据设计要求和现在仿真图所存在的差异来修改不满足部分的元件参数，从新找到要达到设计要求，而在实际电路中电阻和电容的最佳匹配参数。”听到这样的话，感觉真是不错，接下来在不断修改参数，不断得带越来越接近自己设计要求的波形时，好有成就感，自己做出了一个东西，不是理论的而是实实在在的。但是，头脑里同时也思考着这样一个问题：虽然理论是实践的基础，但是我们现在所学的东西全是理论上的，到底有多少能够在实践中完全成立呢？想到这些