二阶有源高通滤波器

1、尚有2孽龙2013级模拟电子技术课程设计说明书二阶有源高通滤波器院、部：电气与信息工程学院学生姓名：方拓指导教师：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20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方拓课题名称二阶有源图通滤波器内 容 及 任 务一、设计任务设一种二阶RC有源高通滤波器电路，截止频率100HZ,通带内增益 23 倍。二、设计内容1、电路设计力杀比较；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

2、（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一、基本要求与指标1、电路截止频率100HZ;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、能米用另一种方案设计 RC有源高通滤波器。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进行电路制作与调试。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 康华光.电子技术基础 模拟部分（第五版）M.北京：高等

3、教育 出版社，2006.325-3352曹才开等.电路与电子技术实验M.长沙：中南大学出版社， 2010.142-153谢自美.电子线路设计（第三版）M.武汉：华中科技大学出版社， 2000.123-1274王渊峰.Altium Designer 10电路设计标准教程M.北京：科学出版社 2012.45-52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方拓课题名称直流稳压电源内 容 及 任 务一、设计任务设一个直流稳压电源，当输入为有效值 220V的交流电压

4、时，能产 生±12V、±9V、±5V三组直流电压输出。二、设计内容1、电路设计力杀比较；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一、设计要求及技木指标1、要求输入电压为肩效值 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 VOP-P<5mV,稳压 系数Sr0 5%。二、扩展要求与指标1、能显示电源输出电压值，00.0-12.0V;2

5、、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进行电路制作与调试。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 康华光.电子技术基础 模拟部分（第五版）M.北京：高等教育 出版社，2006.325-3352曹才开等.电路与电子技术实验M.长沙：中南大学出版社， 2010.142-153谢自美.电子线路设计（第三版）M.武汉：华中科技大学出版社， 2000.123-1274王渊峰.Alt

6、ium Designer 10电路设计标准教程M.北京：科学出版社 2012.45-52指导教师意见签名：年 月日教研室意见签名：年 月日滤波电路是一种能使有用频率通过， 同时抑制无用成分的电路，滤波电路种 类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。 有源滤波器不用电 感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大 器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通 和阻带等电路，从滤波器的阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。 本设计为有源二阶高通滤波器。本设计采用一般意义上的设计方案，即通过无源二阶高通滤波电路接入运放 组成

7、的放大电路，组成二阶有源 RC高通滤波器，先根据设计方案计算出所需各 元件参数，通过 Multisim 10 仿真得到具体的电路图，在由制图软件(Altium Designer summer09)得到原理图，由原理图导入到 PCB图中，得到我们所用的 电路板。其中包括了电子元件的新建和封装、打印、转印等步骤。最后，焊接时 应注意线是否导通、是否短路和有无虚焊等。最终完成安装，进行调试。调试结 果表明电路仅能够实现信号的高通滤波。关键词：二阶；有源；高通；滤波器113目录1绪论121.1 设计课题意义及背景 121.2 设计课题任务及要求 121.3 设计内容122设计原理及方案比较 12.1

8、设计原理12.2 方案比较12.3 设计方案32.4 直流电压源的设计32.4.1 设计要求32.4.2 直流稳压电源工作原理 33设计课题的参数选择 53.1 有源二阶高通滤波器53.1.1 无源二阶 RC高通滤波电路部分 53.1.2 运放部分53.2.1 电源变压器63.2.2 整流桥63.2.3 滤波部分64仿真分析84.1 仿真电路图84.2 仿真数据及分析85制作与调试115.1 安装与调试115.2 调试115.3 调试结果115.3.1 直流电源调试结果 115.3.2 二阶有源高通滤波电路调试结果 115.4 数据分析125.5 故障排查12心得体会13参考文献14致说甘15

9、附录16附录A 电路原理图16附录 B电路PCB图 17附录C电路实物图18附录C元件清单191 绪论1.1 设计课题意义及背景电子技术是当今科技发展的热点，各先进国家无不把它放在优先发展的地位。 电子技术是电气类专业的一门重要的技术基础课， 课程的显著特点之一是它的实践性。 想要很好的掌握电子技术， 除了掌握基本理论之外还要将其运用到实践中去，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。滤波器是信号处理的重要单元 , 在现代电子技术中得到了广泛的应用。按处理信号的不同 , 滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器, 模拟滤波器按构成元件的不同又可分为有源滤波器和无源滤波器。 有源滤波器是指网络由电阻、

10、电容及有源器件 （ 三极管、 运算放大器等, 通常是运算放大器） 构成。 因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、 磁场屏蔽、 损耗、 体积和重量过大等缺点。 有源滤波器有许多独特的优点 , 如设计标准化、模块化、易于制造等。由于运算 放大器的增益和输入电阻高、输出电阻低, 所以能提供一定的信号增益和缓冲作用，并可用简单的级联得到高阶滤波器, 且调谐也很方便。有源滤波电路的用途很广 , 主要用于小信号处理, 可作为抑制干扰、 噪声、 衰减无用频率信号而突出有用频率信号达到提高噪声比或选频的目的。在实际应用中 , 综合考虑电路滤波特 性和信号增益, 一般选用有源滤波器, 因此 , 研

11、究其设计有很大的实际意义。1.2 设计课题任务及要求设计一种二阶RC有源高通滤波器电路，电路截止频率100HZ,通带内增益23 倍，幅频特性、相频特性曲线尽可能接近理想化。1.3 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。2设计原理及方案比较2.1设计原理二阶高通滤波器的特点是,只允许高于截止频率的信号通过二阶有源高通 网络基19图1二阶有源滤波器设计原理2.2 方案比较(1)压控电压源二阶高通滤波器图2所示，电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频

12、率趋于零时, 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Up(s)趋于零。所以，只要正反馈引入得当，就既可能在 f =时使电压放大倍数数值增大，又不会因负反馈过强而产生自激振荡。同相输入端电位控制由集成运放和R1、R2组成的电压源，故称为压控电压滤波电路。同时该电路具有减少、增益稳定、频 率范围宽等优点。电路中 G R构成反馈网络。压控电压源二阶高通滤波器电路如图 2所示，其传输函数为公式(1)所示。”图2压控电压源二阶高通滤波器传输函数:2/、Af(sRC)A (s) =21 (3 - Avf )sRC (sRC)通带增益:截止频率:品质因数:Avf=1 Rf / Rifp1

13、2 二 RC13 -Avf(1)(2)(3)(4)(2)无限增益多路负反馈二阶高通滤波器无限增益多路负反馈二阶高通滤波器电路图如图 3所示。图3无限增益多路负反馈二阶高通滤波器该电路的传输函数为:A (s)aS2R1R2c2c3R21 2 rr1 s (C1 C2 C3) s2R1R2C2C3C2C3通带增益:a C1Avf= -C2截止频率:p 2二RR2c2c3(5)(6)品质因数:Q=(Ci C2 c3RiC2C3R2(8)通过上述比较上述两种方案，压控电压源二阶高通滤波器具有元件参数易于 确定，电路易于实现的优点，因此本设计选用压控电压源二阶高通滤波器。2.3 设计方案图4是一个二阶高

14、通滤波器。图中虚线部分是一个无源二阶高通滤波器电 路，为了提高它的滤波性能和带负载的能力，将该无源网络接入由运放组成的放 大电路，组成二阶有源 RC高通滤波器。R：图4二阶高通滤波器其传递函数为（9）所示:A（S）飞+。Z入+ 322.4 直流电压源的设计2.4.1 设计要求设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生土12V、±9V、±5V三组直流电压输出。2.4.2 直流稳压电源工作原理直流稳压电源是一种将 220V工频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，如图 5所示。图5直流稳压电源工作原理其中：(1

15、)电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。(2)整流电路：利用单向导电元件，把 50Hz的正弦交流电变换成脉动的 直流电。(3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除， 从而得到比较平滑的直流电压。(4)稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网 电压和负载的变化而变化。3设计课题的参数选择3.1 有源二阶高通滤波器3.1.1 无源二阶RC高通滤波电路部分无源二阶RC高通滤波电路部分如图6虚线部分所示。«图6有源二阶滤波电路因为设计要求滤波器截止频率fp =

16、100Hz,由截止频率公式：fp=1/2RC可 知1/2兀RC=100。电容C宜在微法数量级左右，这里选择 C=1NF,所以R=1.59k Q,实际电阻选择1.6k Q的电位器。3.1.2 运放部分运放部分如图7所示，其通道增益Avf =1+Rf/R因为要求通带内增益23 倍，这里选择增益为 & =2.5 ,取 R1=2kQ Rf=3k Q ,满足 Avf =1+3/2 = 2.5。图7运放部分运放选择741通用运放其管角图如图8所示，1和5为偏置（调零端）,2为 正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源，8空脚。匚匚匚2 3 4S7651 - Offset null 1

17、2 - inverting inpul3 * Nondnvef* ng input4*Vcc'5 * Otfaet nul 26 * Output图8 741运放管脚图7 .2直流稳压电源3.2.1 电源变压器据三端固定式集成稳压器的特点，一般要求最小的输入电压、输出电压为 2V 3V，所以可取的/&出电压为15V的变压器。3.2.2 整流桥稳压源设计要求最大输出电流为Iomax=500mA ,整流二极管的参数应满足最 大整流电流I > 1.5 Iomax=0.75A ,最大反向电压应大于变压器副边输出电压V2U 23.2.3 滤波部分滤波电容满足:rlc_I2由式（10

18、）可得滤波电容可等于式（11）P 5TC =2R式中Rl为C右边的等效电阻，应取最小值，T为电流电源的周期。 值可由公式（12）算出。(10)(11)Rl最小c2U 2(12)RL min 二I 0max将 T=20mS, Imax=500mA 代入式（11）,可得 RLmin =33Q。将 RLmin =330 , T=20ms再代入（12）式，得出C=1515” 可见，C容量较大，应选电解电容， 实际容量选4700.,其耐压值为35V。3.2.4 稳压部分稳压部分采用集成稳压器L7812、 L7912、 L7809 、 L7909、 L7805、 L7905，其最大输入电压35V,最大输出

19、电流1.5 A,最大耗散功率Pd=20 W参数都符 合要求。4仿真分析4.1 仿真电路图电路图仿真如图9所示其中Ci =C2 =100nf , R = R2 = 1.6kQ , Rf = 3kQ ,Ri =2kQ0图9仿真电路图4.2 仿真数据及分析波特仪显示结果如图10所示，其通带增益为 7.79dB,与设计的Avf=2.5(7.960)非常接近。图10波特仪显示结果截止频率如图11所示，由图10与图11可见经仿真分析可得在衰减-3dB时 得出的下限截止频率为102.315Hz,与当初设计的100Hz十分接近。图11波特仪所示截止频率= 0.59,说明电路有滤波作用图12当输入信号为50Hz

20、 5V时示波器显示当输入信号为50Hz 5v时示波器显示如图12所示，其幅值下降，其增益A vf当输入信号为200Hz 5v时示波器显示如图13所示，其幅度增益约Avf=2.5,说明信号能通过电路，符合设计要求图13当输入信号为200hz 5V时示波器显示5制作与调试5.1 安装与调试根据电路图使用 Altium Designer summer09软件画出PCB图，打印到电路 板上并腐蚀打孔。对电路进行组装：按照自己设计的电路，在在PCB®上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。对安 装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。经

21、过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要 器件的引脚和极性，不能接错，从输入级开始向后级安装。5.2 调试滤波器电路连接好后，调试需要函数发生器、示波器、万用表各一个，一个 能产生+12V, -12V的直流稳压并联接地电源，我们需要函数发生器产生0-22KHz;幅值为500mv的信号。输入Ui接函数发生器，输出U0接示波器，直流 稳压电源的+12V接OP07I勺7引脚，-12V接4引脚。注意：在打开电源之前，应 现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路，且不能带电操作。5.3 调试结果5.3.1 直流电源调试结果使用万

22、用表直流电压20v档位测量直流电源的各个端口，经测量其各个端口 的电压为 12.06v、-12.03v、8.97v、-8.93v、4.96v、-4.98v 。5.3.2 二阶有源高通滤波电路调试结果输入电压为Ui =500mV调节信号频率从0Hz到4000Hz中取10组不同频率的 信号，调试结果如表一所示。表1二阶有源高通滤波电路实验值输入信号频率输入信号幅值输出信号幅值(f/Hz)(Ui/ mV)(Ui/ mV)2050012.43050020.35050031.710050056.320050070.740050011410005001802000500207300050021540005

23、002205.4 数据分析由表1数据可知，随着输入信号频率的升高，输出幅值逐渐增大，说明其无 源滤波网络部分正常工作，但是增益小于 1,说明放大电路存在问题。5.5 故障排查用万用表检测运放的7脚电压只有9.58V,没有达到要求的12V,说明运放 没有正常工作，所以输出信号的增益会出现问题。心得体会经过几个星期的工作， 我们的二阶有源滤波网落并没有正常运行。 但在使用Multisim10.0 进行仿真得到了要求的结果，表明理论知识没有问题而实际操作有一定的偏差。 在以后的课程设计中要加强实际操作能力， 本次课程设计让我们了解了滤波器的工作原理以及分类， 也让我们熟悉了函数发生器与示波器， 接触并学