音频信号有源滤波电路设计

1、模拟电路课程设计报告设计题目：音频信号有源滤波电路设计姓名： 学号：2011146211班级: 11光信目 录一、设计任务与要求2二、方案设计3三、电路设计4四、电路原理图7五、软件仿真结果及分析7六、实验心得10一、设计任务与要求1.1.设计目的模拟电路课程设计是模拟电子技术课程重要的实践性教学环节，是对学生学习模拟电子技术的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一个或两个课题的设计、安装和调试来完成的。通过模拟电路课设要求学生：1、 根据给定的技术指标，从稳定可靠、使用方便、高性能价格比出发来选择方案，运用所学过的各种电子器件和电子线路知识，设计出相应的功能电路。2、 通过查阅手册和文献

2、资料，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。 3、 了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。4、 进一步熟悉电子仪器的使用方法。5、 学会撰写课程设计总结报告。6、 培养学生严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。1.2.设计任务 音频信号有源滤波电路设计1.3.课程设计的要求及技术指标1音频信号的频率范围：;2滤波电路在的频率响应在范围内；在之间，滤波电路的幅频衰减应在时值得范围内；3在时幅频衰减为，在时幅频衰减大于。二、方案设计2.1 带通滤波电路构成示意图图1 带通滤波电路构成的原理框图 低通截止角频率高通截止角频率必须满足图2 带通滤波电路理想的幅频响应2.2 音频信号有源

3、滤波电路设计的总方案 这是一个通带频率范围约为的带通滤波电路，在带通内我们设计为单位增益。根据题意，在频率低端f=时，幅频响应至少衰减，在频率高端f=时，幅频响应要求衰减不小于。因此可选择一个二阶低通滤波电路的截止频率 f H=10 kHz，一个二阶高通滤波电路的截止频率f L=100 Hz，有源器件采用运算放大器COMPARATOR3T-VIRTUAL，将这两个滤波电路串联就构成了所要求的带通滤波电路。三、电路设计3.1音频信号有源滤波电路的工作原理滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。工程上常用它来作信号处理、数据传送和抑制干扰等。以往这种滤波电路主要采用无源

4、元件R、L和C组成，20世纪60年代以来，集成运放获得了很大的发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等特点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围定义为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内幅度衰减到零。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可以分为以下几类：低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路和带阻滤波电路。一阶滤波电路的滤波效果还

5、不够好，它的衰减率只是-20dB/十倍频程。若要求响应曲线-40dB/十倍频程或-60dB/十倍频程的斜率变化，则需采用二阶、三阶的滤波电路。实际上，高于二阶的滤波电路都可以由一阶或者二阶有源滤波电路构成。以根据本题的要求，我们选择一个由截止频率fH=10 kHz的二阶低通滤波电路和截止频率fL=100 Hz二阶高通滤波电路串联所构成的带通滤波电路。3.2电路元件参数选择和计算有源低通滤波电路的传递函数为 其中，特征角频率（3dB截止角频率），等效品质因素。有源高通滤波电路的传递函数为 其中，特征角频率（3dB截止角频率），等效品质因素 。由表1可找到二阶巴特沃思滤波器的A VF1=1.586

6、，因此，由两级串联的带通滤波电路的通带电压增益（A VF1）2=(1.586)2=2.515,由于所需要的通带增益为0dB，因此在低通滤波器输入部分加了一个由电阻R1、R2组成的分压器。表1 巴特沃思低通、高通电路阶数n与增益G之关系阶数n2468增益G一级1.5861.1521.0681.038二级2.2351.5861.337三级2.4831.889四级2.610 在选用元件时，应当考虑由于原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电阻器和两个电容器，预计实际截止频率可能存在较大误差，为确保在100kHz和10kHz处的衰减不大于

7、3dB。现以额定截止频率90Hz和11kHz进行设计。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。对于低通级，由于已知C=1000pF和f H=11 kHz,根据式子 ，得，现选择标准电阻值R3=14.0k。对于高通级，由于已知C=0.1uF和fL=90 Hz，根据式子，得,现选择标准电阻值R7= R8=18k。考虑到已知AVF1=1.586，同时要尽量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。因为同相比例放大电路的增益就是通带电压增益，即A0=AVF

8、=1+(AVF-1)R1/R1，所以R4=（AVF1-1）R5=39.8 k，R9=（AVF1-1）R10=48 k，其容差为1%。信号源V1通过R1和R2进行衰减，它的戴维宁电阻是R1和R2并联值，这个电阻应当等于低通级电阻R3。因此有 (3.2.1)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 (3.2.1)联解式(3.2.1)和 (3.2.2)，并选择容差为1%的额定电阻值，得R1=35.7 k和R2=23.2 k。四、电路原理图图3 带通滤波器电路五、软件仿真结果及分析 为确保电路参数满足技术要求，随机地对电路原理图3电路元件参数选择3组，用M

9、ultisim 10仿真软件进行仿真，画出带通滤波电路幅频响应波特图。6.1 实验结果及实测电路波特图形实验结果：（1）信号通过频率f范围约为89Hz11.2kHz; (2) 滤波电路在1kHz的幅频响应为-0.088dB,在100Hz至10kHz滤波电路的幅频响应分别为1kHz时值的-2dB和-2.2dB; (3) 在10Hz时幅频响应衰减为38dB,而在100kHz时幅频衰减为38dB。图4 带通滤波幅频响应曲线6.2 改进措施增大R7和R8的值可以使电路在10Hz时幅频响应衰减为26dB。当R7=R8=36改进后的带通滤波幅频响应曲线如下：图5 改进后的带通滤波幅频响应曲线6.3 误差分

10、析（1） 实验中所用的元器件均有误差，电路的实际参数与实际不严格相等，给实验带来了部分偏差。（2） 实验中所使用的运算放大器并非理想的放大器，不可能达到理想运算放大器的虚短和虚段的条件，因此输出不可能达到理想值，会带来部分偏差。（3） 实验中环境因素的改变，如仪器发热等对电阻值的影响会带来一定的误差。（4） 实际使用的元件，可能有部分实际已有元件中并无此参数，如电阻采用近似的电阻代替会给实验带来部分偏差。六、实验心得课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.一周的课程设计结束了，回顾起此次模拟电路课程设

11、计，我仍感慨颇多。模拟电路的课程设计是我大学的第一个课程设计，对于我个人来说意义重大。在这次课程设计中，通过查找相关书籍和资料，我增长了不少相关知识。阅读相关书籍之后，确定电路的模型，通过演算，得出各类元件的参数，验算求证。运用Multisim 10仿真软件绘制相应的电路图，对计算出的参数进行验证。反复推导，使参数更加符合要求。对Multisim 10仿真软件在本专业的应用有了新的认识，可以在以后的基础课程学习和专业课程上用它来解决很多问题，更好的掌握Multisim 10仿真软件的使用方法和技巧，对以后的学习生活有很大的帮助。从拿到课题到定稿，从理论到实践，在课程设计的过程中,可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，发现了自己的不足之处，对