高阶有源带通滤波器-毕业论文.doc

2013级模拟电子技术课程设计说明书 高阶有源带通滤波器 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 周 轲 学 号： 1330140134 指导教师：张松华 职称 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1301班 完成时间： 2015年6月26日 课程设计评定意见指导老师评阅意见指导老师签字：指导老师评定成绩教研室意见教研室主任签字：模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程 指导教师张松华学生姓名周 轲课题名称高阶有源带通滤波器内容及任务一、设计任务设计一种高阶RC有源带通滤波器电路,中心频率1KHz,通频带800Hz1200Hz，通带内增益23倍。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标1、 基本要求与指标1、中心频率1KHz,通频带800Hz1200Hz；2、通带内增益23倍； 二、扩展要求与指标 1、幅频特性、相频特性曲线尽可能接近理想化；2、能采用另一种方案设计RC有源带通滤波器。进度安排起止日期工作内容2015.6.156.19下达任务书；针对课题任务书，收集资料。2015.6.206.21针对课题任务，进行电路设计与仿真。2015.6.226.23进行实物的制作与调试。2015.6.246.25进行说明书书写。2015.6.26实物答辩与说明书收集。主要参考资料1熊幸明.电工电子实训教程M.北京：清华大学出版社，2007.266281，3123142曹才开.电路与电子技术试验M.长沙：中南大学出版社，2006.128130，1591603谢自美.电子线路设计实验测试（第三版)M.武汉：华中科技2002.1451554康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）M.北京：华中科技大学电子技术课程组编, 高等教育出版社，2006.414429指导教师意见签名：年 月 日教研室意见签名：年 月 日模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程 指导教师张松华学生姓名周 轲课题名称直流稳压电源内容及任务一、设计任务设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V 、5V三组直流电压输出。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标2、 设计要求及技术指标1、要求输入电压为有效值220V、50HZ的市电交流电压，电源输出电压为12V、9V 、5V。2、最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压5mV，稳压系数Sr5%。二、扩展要求与指标1、能显示电源输出电压值，00.0-12.0V； 2、要求有短路过载保护。进度安排起止日期工作内容2015.6.156.19下达任务书；针对课题任务书，收集资料。2015.6.206.21针对课题任务，进行电路设计与仿真。2015.6.226.23进行实物的制作与调试。2015.6.246.25进行说明书书写。2015.6.26实物答辩与说明书收集。主要参考资料1熊幸明.电工电子实训教程M.北京：清华大学出版社，2007.266281，3123142曹才开.电路与电子技术试验M.长沙：中南大学出版社，2006.128130，1591603谢自美.电子线路设计实验测试（第三版)M.武汉：华中科技2002.1451554康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）M.北京：华中科技大学电子技术课程组编, 高等教育出版社，2006.414429指导教师意见签名：年 月 日教研室意见签名：年 月 日摘 要滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过，而同时抑制不需要的信号，实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。课题小组通过对滤波器的认识设计一个带通为800Hz1200Hz，通带内增益为23倍，中心频率为1000Hz的高阶有源带通滤波器，再用Multisim对电路进行仿真，观察电路的幅频特性曲线。最后进行实物的制作和调试。在误差允许的范围内达到了设计要求。 关键字：高阶；有源；带通滤波器；幅频特性0目 录1概述41.1设计背景及意义41.2设计任务及要求42滤波器的基本介绍52.1滤波器工作原理52.2模拟滤波器的传递函数与频率特性52.2.1模拟滤波器的传递函数52.2.2模拟滤波器的频率特性62.3滤波器的主要特性指标62.3.1 特征频率62.3.2 增益与损耗72.3.3阻尼系数与品质因数72.4带通滤波电路总设计思路72.4.1二阶低通滤波器92.4.2二阶高通滤波器93电路设计及元器件参数选取103.1芯片选取103.2高阶有源带通滤波器的设计103.2.1低通部分的设计103.2.2 高通部分的设计113.3直流稳压电源的设计123.3.1直流稳压电源的原理123.3.2直流稳压电源的设计思路123.3.3直流稳压电源参数计算134电路的仿真与分析154.1 仿真电路图154.2 仿真结果154.3仿真误差分析165电路板的制作与调试185.1原理图和PCB图的绘制185.2焊接185.3调试185.4误差分析20结束语21参考文献22致 谢23附 录24附录A 原理图24附录B PCB图25附录C实物图26附录D元器件清单271概述1.1设计背景及意义在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛。经过50多年的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。未来几年，无线通信设备的发展将会越来越快速，而在通信领域，滤波器将会得到更多范围的应用，这也会带动相关产业链的形成和发展，在我国形成一个完整的产业，为我国通信技术的升级和转型带来更多更优异的解决方案。另外滤波器未来将更具有操控系统的简化，能够达到更精确的检测电网的谐波电流，能够更好的达到抵偿作用，并逐渐走向抵偿设备的多功用化，在其操控回路后中也需要进一步的改造，能够很好的抵偿基波的无功，而且还能更好的按捺电压闪变和不平衡电压。设计高阶有源带通滤波器有益于提高同学们的动手能力，加强书本与实践的结合，是提高学生实践能力的有力手段。1.2设计任务及要求 （1）设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V 、5V三组直流电压输出。 （2）设计一种高阶RC有源带通滤波器电路,中心频率1KHz,通频带为800Hz1200Hz，通带内增益23倍。2滤波器的基本介绍 2.1滤波器工作原理 模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提出来，把通带外的信号去除。 2.2模拟滤波器的传递函数与频率特性2.2.1模拟滤波器的传递函数 传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比，常用来描述模拟滤波电路的特性。对于任意复杂的滤波网络，均可分解为若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。因为任意个线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积，高阶RC滤波器的传输函数如表1中所示。 表1 高阶RC滤波器的传输函数类型传输函数性能参数 低通Q等效品质因数电压增益低、高通滤波器的截止角频率带阻塞、带阻滤波器的中心角频率BW带通、带阻滤波器的带宽 高通 带通 带阻2.2.2模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的传递函数表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号是角频率为的单位信号，滤波器的输出会随输入信号的不同频率而变化，称为滤波器的频率特性。频率特性是一个复函数，其幅值称为幅频特性，其幅角表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性。二阶低通滤波器、二阶高通滤波器、高阶带通滤波器幅频特性曲线如图1-图3所示。 图1二阶低通滤波器的幅频特性曲线 图2二阶高通滤波器的幅频特性曲线 图3高阶带通滤波器的幅频特性曲线一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器RC阶数越多，电路调试越困难。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效应和切比夫雪等波动效应。2.3滤波器的主要特性指标2.3.1 特征频率通带截频为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率为信号功率衰减到(约为3dB)时的频率，在很多情况下，常以作为通带或阻带截频。固有频率为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。此次课程小组设计的高阶有源带通滤波器，由一级二阶低通滤波电路和一级二阶高通滤波电路串联组成。可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波器的截止角频率大于高通滤波电路的截止角频率。它能抑制低于以下和高于的信号。2.3.2 增益与损耗滤波器在通带内的增益并非常数。 对低通滤波器通带增益一般指时的增益;高通指时的增益;带通则指中心频率处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数通带增益变化量指通带内各点增益的最大变化量，如果以为单位，则指增益值的变化量。此次课程小组设计的高阶带通滤波器的增益为，在要求的之间。2.3.3阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是高阶带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，。式中的为带通或带阻滤波器的带宽，为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。此次课程小组设计的二阶带通滤波器选取的品质因数，选择标准的品质因数以减少实验误差。2.4带通滤波电路总设计思路带通滤波电路是由低通和高通滤波电路相串联构成。条件是低通滤波器的截止角频率大于高通滤波器电路的截止角频率,两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。设计原理图、系统框图如图4、图5所示。 图4带通滤波器设计原理 图5系统原理框图在高阶低通滤波器中，品质因数对电路幅频特性有很大的影响，如图6所示。 图6幅频特性与Q的关系 在图6中，可以看出当Q等于0.707时，幅频特性曲线最平坦，且频率下降最小，滤波效果最好称为巴特沃斯低通滤波器。所以课程小组选择Q值为0.707时设计电路，减小设计误差。在巴特沃斯低通高通电路阶数n与增益G的关系如表2所示。由表2可知它的增益只能达到1.586，一个低通与一个高通电路进行串联增益为2.515，基本达到设计要求。 表2巴特沃斯低通高通电路阶数n与增益G的关系阶数n2468增益G一阶1.5861.1521.0681.038二阶2.2351.5861.337三阶2.4831.889四阶2.6012.4.1二阶低通滤波器 二阶低通滤波电路是由两阶RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0为截止频率）电路的每级RC电路的相移趋于-90，两级RC电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。 由滤波器的指标要求可知，带通范围是，所以所设计的低通滤波器的截止频率为。 2.4.2二阶高通滤波器 二阶高通滤波器是容许高频信号通过，减弱频率低于截止频率信号通过的滤波器。高通滤波器有综合滤波功能，它可以滤掉若干次高次谐波，并可减少滤波回路数。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。其在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。本设计为分别使用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计二阶高通滤波器。二者电路都是基于芯片UA741设计而成。将信号源接入电路板后，调整函数信号发生器的频率，通过观察示波器可以看到信号放大了n倍。二阶高通滤波器电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于0时，反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于RC的电抗很大，因而趋于0。所以，只要正反馈引入得当，就可能在时使电压放大倍数数值增加，又不会因为反馈过强而产生自激振荡。同相输入端电位控制有集成运放和组成的电压源，故称为压控电压滤波电路。同时该电路具有增益稳定，频率范围宽等优点，电路中C、R构成反馈网络。3电路设计及元器件参数选取3.1芯片选取 要选择一种集成运放，首先要考虑到它的通频带是否满足本设计的要求。UA741作为通用运放，能满足要求，UA741引脚图、电路符号图、实物图如图7所示。 （a）UA741引脚分布图 (b）UA741电路符号图 (C) UA741实物图 图7 UA7413.2高阶有源带通滤波器的设计3.2.1低通部分的设计先确定电容的大小就能够进行后续的参数计算，查找出滤波器工作频率与电容取值的对应表如表3所示。表3 滤波器工作频率与电容取值的对应表 根据截止频率从表3中选定一定电容C的标称值，由公式 （1） （2） 设定低通和高通的 由式 (1)，(2)得(3) （3） 所以低通滤波器电路中，因此 由于增益，且运放同相端与反相端的对地直流电阻相等 所以可得，低通滤波器电路设计图如图8所示。 图8 低通滤波器电路设计图3.2.2 高通部分的设计 根据截止频率从表3中选定一定电容C的标称值，同理可得,所以高通滤波器电路中,因此,由于增益,且运放同相端与反相端的对地直流电阻相等，即。 由此可得，电路设计图如图9所示。 图 图9 高通滤波器电路设计图设计完高通滤波器和低通滤波器，则只需要把两个电路串接到一起即可构成带通滤波器，带通滤波器的电路图如图10所示。 图10 高阶带通滤波器设计3.3直流稳压电源的设计3.3.1直流稳压电源的原理 直流稳压电源是一种将220v交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，直流稳压电源组成框图如图11所示。 图11直流稳压电源组成框图3.3.2直流稳压电源的设计思路 （1）电网供电电压交流220v(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流与电压。课题小组选用了E148*24变压器，变比为15:1。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。这里课题小组选用了DB101整流桥。 （2）脉动大的直流电压必须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。 （3）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载。3.3.3直流稳压电源参数计算 根据设计要求，要得到+12V和-12V的电压供给二阶有源带通滤波器使用。 设计电路中取Vz=4v， 。由 （4）得 （5） 在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压U2变换成脉动的直流电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压U2的有效值U2的关系如式（6）所示。 （6）在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压如式（7）所示。 （7）流过每只二极管的平均电流如式（8）所示。 （8）其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足式（9）。 （9） 其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。电路要求输入电压为有效值220V、50HZ的市电交流电压，电源输出电压为12V、9V 、5V。最大输出电流为，纹波电压，稳压系数。 (10) 求解稳压系数的公式如式(11）所示。 （11）求解滤波电容的公式如式(12)所示。 (12) 其中滤波电容取，耐压值为。4电路的仿真与分析4.1 仿真电路图高阶有源滤波器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，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。但这种滤波器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，常用于低频场合。 图12 高阶带通滤波器仿真原理图4.2 仿真结果通过仿真测试增益最高点以及两个点，记录数据进行可行性分析。如图13所示，为增益最高点时的幅频特性，此时频率，增益到最大处是，基本符合设计要求。 图13 高阶有源带通滤波器的中心频率紧接着测试下限频率，如图14所示，为左边的点，此时，增益为，误差较大。 图14 高阶有源带通滤波器的下限频率然后测试右边点，即上限频率点，如图15所示，此时，增益为，误差较大。 图15 高阶有源带通滤波器上限频率4.3仿真误差分析仿真结果与理论值有差别，课程小组通过查阅资料了解到，一个低通滤波器和高通滤波器串接而成的高阶有源带通滤波器增益存在衰减，一般衰减左右，原因是两个电路相互影响。于是课题小组分别测了低通滤波器和高通滤波器的幅频特性曲线。低通部分幅频特性曲线如图16所示，在图中中可以看出，当增益下降到低通滤波器的点时，频率为，符合设计要求。 图16低通滤波器仿真结果高通滤波器的幅频特性曲线如图17所示，在图中可以看出，当增益下降到高通滤波器的点时，频率为，符合设计要求。 图17高通滤波器仿真结果 分别测低通滤波器和高通滤波器的幅频特性，仿真结果都正确。将它们串联在一起后问题就出来了，由此得出是由于低通和高通部分都出现了衰减，加上两个电路串联对相互有一定的影响，造成的仿真过程中出现了较大的误差。5电路板的制作与调试5.1原理图和PCB图的绘制 通过Multisim对原理图进行仿真，验证了选择的方案以及元件参数的设置的正确性，绘制的原理图及PCB图见附录。将PCB原理图导入生成PCB图，经过AD布线,连线画出PCB图。PCB图将打印转录到万用板上，经过腐蚀打孔，一块PCB板就制作成功了。5.2焊接焊接的技巧就是先低后高，先简后繁，一点就放。课程小组采用的方法是点焊，烙铁的温度很高，接触久了以后就会融化焊盘导致接触不良等问题。焊接过程中，需要先焊接较短小的元器件，以及引脚较少的元器件。再焊一些较大的元器件，这样可以保证焊制的电路整齐美观。5.3调试 课题小组成员在3407实验室把做好的高阶带通滤波器放到实验台上，接上示波器和函数信号发生器，示波器上A、B通道的波形很快就出来了，但是当时，示波器上显示只有很小的增益，调试波形如图18所示。图18 中心频率时波形图 通过调节频率的大小，课题小组发现基本满足课程设计的要求，有带通特性，只是增益不明显。然后课题小组测了低通部分经过一级放大后的波形图，如图19所示。 图19经过低通部分时波形图通过测试发现电路的问题出在高通部分，调试的结果显示通带内增益很小。课程小组在网上搜集资料和课本理论知识相结合，分析得出出现这种情况的原因是选用的电阻值与计算值存在一定的误差，而且在焊接过程中温度过高对电阻的阻值有一定的影响。电路板的腐蚀过程中有些地方腐蚀也比较严重，由于这一系列的原因造成了这样的结果。虽然有误差还是测出了上限和下限频率，分别如图20、21所示。 图20上限频率时波形图 图21下限频率时波形图此次调试示波器上显示的数据与理论值存在一定的偏差，对数据进行误差分析，其频率和增益的误差如表4所示。 表4 频率与增益的误差分析表 频率增益理论值实际值误差相对误差理论值实际值误差相对误差80064915118.9%5.012.112.957.8%10001000008.014.213.847.4%1200158738732.2%5.011.833.1863.4%5.4误差分析 (1)可能是由于所用的电阻,电容与标称值存在差异而出现误差； (2)可能是函数信号发生器实际输出的信号与显示值存在误差； (3)可能是示波器导线接触不良容易产生干扰测量不精确； (4)在焊接过程中电烙铁温度很高使得整块电路板很烫可能会影 响 响各元件的性能从而带来一定误差； （5）可能是腐蚀电路板过程中，腐蚀太严重导致电路导电性降低； (6)可能存在两滤波器电路由于带宽太窄而产生相互之间的影响。结束语 在做这次二阶有源带通滤波器课程设计之前，课题小组成员都以为很难做。开始大家都不敢动手，对这个有一种畏惧心理 。幸好小组成员都没有被吓蒙。经过两个星期的努力，小组成员查阅各种资料。终于搞出了一点头绪。虽然说二阶有源带通滤波器这个课题原理不是很复杂，内容不是很难，但是真正开始动手来，课程小组成员都无从下手。经过一番摸索课程小组终于设计出了实验电路并进行了参数的计算和选择。但这才刚刚开始，把他做出来才是一个最大的问题。经过无数次的探索，课题小组终于搞清了思路，买来了元器件。接下来课题小组打好了板子，然后打好孔，紧接着焊接调试。在调试的过程中课题小组遇到了很多问题，第一次调试的时候，可能由于板子的问题，根本就没有波形输出。后来小组重新打了板子，把元器件重新装了一遍。这次又有型的问题出现了，我们发现我们的板子只有在低通部分有一级放大，而经过高通部分不仅没有放大，还有衰减。小组成员都不知道是什么原因，最后只有请来老师帮忙检查电路，经过老师的检查，发现高通部分的芯片电源没有接进来。后来课题小组通过认真的检查电路，发现芯片的4角焊点松了，电源没有接进