有源滤波器模电课程设计

郑州科技学院模拟电子课程设计题 目 二阶有源高通滤波器 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 设计方案与论证1 3.1 有源滤波器各部分电路的作用1 3.2 方案的选择2 3.2.1 滤波器的选择2 3.2.2 级数的选择3 3.2.3 运放的要求3 3.2.4 元器件的选择44 有源滤波器的设计与原理 4 4.1 有源滤波器的基本概念4 4.2 有源滤波器的传输函数5 4.3 有源滤波器的设计5 4.4 电路性能参数65 电路仿真（计算与说明）6 5.1 Multisim软件介绍7 5.2 Multisim电路仿真分析76 硬件的制作与调试12 6.1 电路的焊接制作12 6.2 电路的调试和误差分析127 总结 12参考文献 15附录1：总体电路原理图16附录2：元器件清单17附录3：电路实物图181 设计目的1 学习RC有源滤波器的设计方法；2 综合运用所学的理论知识，掌握一般电子线路分析和设计的基本方法和步骤；3 培养一定的独立分析问题、解决问题的能力；4 实践利用EDA软件绘制电子线路原理图、PCB图；5 学会说明书的规范整理和书写。2 设计任务与要求1 设计二阶RC高通滤波器电路，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤；2 在multisim里仿真电路，测量并调整静态工作点；3 由滤波器设计指标计算电路元件参数；4 掌握有源滤波器的测试方法；5 测量有源滤波器的幅频特性；6 写出设计报告。3 总方案设计3.1 有源滤波器各部分电路的作用有源滤波电路主要由：RC网络、放大器、反馈网络三部分组成。（1）RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。（2）放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益同相放大器 具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。（3）反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。3.2 方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的频带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此我们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的衰减速度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。3.2.1 滤波器的选择由于巴特沃斯滤波器通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带内则逐渐下降为零，在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率的增加而逐渐减少，趋向负无穷大，本次我选择设计巴特沃斯二阶有源低通滤波器和高通滤波器；而带通滤波器要求通带较宽时，用低通滤波器和高通滤波器串联组成比直接用环型带通滤波器要好。3.2.2 级数的选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)，根据带外衰减特性的要求，我选择二阶滤波器。3.2.3 运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。要让滤波器的反馈能够满足其对滤波器特性的要求，运算放大器的开环增益要求在80db以上。如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至于使RC网络中电阻元件的值超过100k,则应选低漂移高输入阻抗的运放。本电路选择了八管脚的UA741单运放，其管脚如图3-2：图3-2 UA741引脚图3.2.4 元器件的选择电容的选择:一般设计滤波器时都要给定截止频率fc(c)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配.所以一般从选定电容入手，具体选择情况详见附录2。电阻的选择:根据电容的确定和规定的截止频率和带内增益以及参数计算得的结果和市场上所出售的情况而选择，详见附录2。4 有源滤波器的设计与原理4.1 有源滤波器的基本概念由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)等滤波器，我们设计的是高通滤波器。由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。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。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有源滤波器来实现。4.2 有源滤波器的传输函数 （4-1）4.3 有源高通滤波器的设计高通滤波器的性能与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。如图4-1所示，高通滤波器的基本电路图。图4-1 有源高通滤波器简单电路图4.4 电路性能参数 （4-2） 二阶高通滤波器的通带增益 (4-3) 截止频率，它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。 （4-4）品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。5 电路仿真电路设计的一个很重要的环节是仿真与调试，这就需要进行虚拟实验，此次仿真使用的是Multisim虚拟实验平台。虚拟实验过程与实验操作跟实际相似，但比实际方便、省时，通过仿真测试电路各方面性能良好。5.1 Multisim软件介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。它提供了仿真实验和电路分析两种仿真手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分强电电路的仿真、分析和设计。 Multisim是一种优秀而易学的WDA（电子设计自动化）软件，与其他仿真分析软件相比，EWB的最显著特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚拟实验平台。他几乎能对”电子技术”课程中所有基本电路进行虚拟实验，虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似，但比实际方便、省时。他还能进行实际无法或不便进行的试验内容，通过储存和打印等方法可精确记录器实验结果。它提供十多种电路分析功能，能仿真电路实际工作状态和性能。5.2 Multisim电路仿真与分析图5-1 有源滤波器仿真电路图如上图所示，此电路上半部分是一个同相比例放大电路，由两个电阻R3、Rf和一个理想运算放大器构成。R3为15K、Rf为10K。下半部分是一个二阶RC滤波电路，由两个电阻R1、R2及两个电容C1、C2构成。其中R1、R2均为8.2K,C1、C2均为10nF。电路由一个幅度为6V、频率可调的交流电压源提供输入信号。(1) 理论分析通带电压放大倍数：低频下，两个电容相当于开路，此电路为同相比例器。 (5-1)通带截止频率： (5-2)（2） 滤波器输入输出波形分析在Multisim软件的虚拟仪器栏中选择虚拟双踪示波器，将示波器的A、B端分别连接电路的输入端和输出端，再点击仿真开始按钮进行仿真，得到如图5-3波形：图5-2 信号源输入端接信号源如图5-2： (5-3) (5-4)图5-3 二阶高通滤波器输入输出波形图5-3为电路输出信号的频率为500HZ,幅度是12V时滤波器的输入输出波形。波形幅度大的是电路输入信号，另外一条是电路输出信号。示波器的横坐标表示时间，纵坐标表示电压的幅度。选择2ms/div的扫描率，纵轴比例为5v/div，输出方式为Y/T方式。从图中可以看出输出信号和输入信号频率相同，说明滤波器不改变输出信号频率，但在输入信号频率小于滤波器的截止频率时，输出信号的幅度远小于输入信号的频率，说明输出信号衰减明显。调节输入信号频率，使其分别为500HZ、1KHZ、2KHZ、3KHZ时，从示波器可以看出输入信号频率在2KHZ以下时，电路的放大作用明显，而小于2KHZ时，波形开始逐渐被衰减，这说明截止频率接近2KHZ。我们发现，仅通过示波器分析，很难得出截止频率的准确值，也不能直观看出输入信号的频率对放大电路性能的影响，于是用波特仪来准确观察电路的输入输出特性。（3） 幅频特性分析在虚拟仪器栏中选择虚拟波特仪，将波特仪的输入输出端分别接到电路的输入输出端，再点击仿真按钮进行仿真，得到如下波形：图5-4 有源高通滤波器幅频特性该高通滤波器的通频带的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，衰减率可达到每十倍频40分贝，滤波特性很理想，从图中可以看出截止频率，与理论计算结果相符。6 硬件制作与调试6.1 电路的焊接制作 （1) 按仿真图购买所需要的元器件。(2) 在电路板上进行焊接。(3) 焊接好线路，进行测试。(4) 观察输出波形是否正确。6.2 电路的调试和误差分析把输出端接示波器，调节信号发生器的频率观察波形的变化。在测试的时候发现无波形输出，检查电路才发现原来是电源正负极接反了，改回来后有了正常的波形。由于计算得出的元器件参数比较理想化，而实际中用的元件很难匹配所有的参数，如低通滤波器中的R1，R2，取值为8.2K，现实中无法买到阻值为8.2K的电阻，只能通过几个电阻串联的形式尽可能的接近它。至于电容，误差更大（电容的误差在20%内便为合格）。7 总结这次的课程设计，老师给与了我们相当大的帮助。提供了若干个课题，供同学选择，而且强制要求一人一个课题，最大限度上逼同学培养出独立思考的能力。这个课题的内容在很多参考资料书上都有相关介绍，电路图也大同小异，因而可以说选择原理电路的过程还是很容易的，但是事实上，滤波电路的原理虽然说也很重要，但却不是试验成功最难的一步，相比较之下，根据原理图的要求，选择各类元器件才是最麻烦的一步。开始的时候不知道要先选取电容值，走了很多弯路，设计性能也达不到要求。后来查找资料发现有源滤波器频率和电容有一个经验表，根据频率选定电容范围，再根据公式推算电阻，才能很好地满足设计要求。经历了多次失败的仿真结果后，我暂时停止了盲目仿真的过程，我开始在网络上和书籍中查阅相关资料，进一步学习滤波器的相关知识，为合理调整电路元器件的数值打基础。与此同时又参阅了部分Multisim的教程，以及网上的经验之谈。前一次的失败工作虽然没有为我带来满意的数据，但是反复操练带来的熟练程度，让我在后来的仿真实验中受益匪浅，面对全英文的操作界面也不再是处处茫然，常用的仪器、元器件也知道该如何去找去用了。及时充电过后的正式仿真相比之下就显得容易多了。先设定一个预期的结果，再根据预期结果反推所需的元器件及参数，接着在软件自带的器件库内找齐所需元件再连接即可。由于事先算好了数据，故得到的曲线与理论值相当接近。本次课程设计其实学到了很多东西。最基本的当然是滤波器的相关知识；其次是Multisim软件的基本操作和应用；除此之外在老师的提醒下我还知道了查阅电子元器件参数最权威的方式PDF文档；还有一些零零散散的看似不起眼但却又不能被忽略的小知识。通过这次课程设计，更加强化了我一个概念无论做什么，一定要在事先做好充分的准备，那样才不会在面临意外时手忙脚乱。总的来说，这次的设计让我收获很多，学习到了很多没接触过的知识，我也会更加注重联系理论与实际，继续努力！参考文献1 彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，1997.2谢自美.电子线路设计武汉：华中科技大学出版社，2006.3童诗白、华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社， 2006. 4陆秀令、韩清涛.模拟电子技术.北京：北京大学出版社，2007.5 陈兆仁、电子技术基础实验研究与设计.电子工业出版社，2000.6 陈栓科、模拟电子技术基础.高等教育出版社，2010.7 吴友宇、模拟电子技术基础.清华大学出版社，2004.8 王冠华、Multisim10电路设计及应用.国防