压控电压源-有源滤波器设计要点

1、28测控电路课程设计题目名称:有源滤波器设计学生学院:信息工程学院专业班级:学号:学生姓名:指导教师:2011年12月29日摘要滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个带通形式的滤波器。有源滤波器，一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。本次课程设计要求采用压控电压源二阶

2、带通滤波器。关键词：滤波器、压控电压源、二阶带通、正弦波产生电路目录前言.4一、设计任务与方案论证51课程设计（论文）的内容52课程设计（论文）的要求与数据53.课程设计（论文）应完成的工作54.应收集的资料及主要参考文献55.方案论证61 正弦波产生电路62 滤波器的选择6二、设计原理与分析.611.5kHz的正弦波产生电路原理分析.62. 带通滤波器设计方案101. 压控电压源二阶带通滤波器102无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器113 方案对比12三、相关参数的计算.121. 正弦波产生电路的相关参数的计算122. 二阶带通滤波器电路中各元件的参数的计算123. Multisim仿真1

3、44. 用Matlab画出二阶带通滤波器的幅频和相频曲线以及nyquist图16四、电子线路设计与制作.181. 使用protel画出电路的原理图.182. 电路板的焊接203.电路的调试20五、设计总结.20六、元件汇总.22七、参考文献.22前言随着科技和生产的发展，以模拟电子技术为基础的测控电路发展迅猛，广泛运用于各种检测控制系统。为培养学生的动手能力，更好地将测控电路理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的设计和理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。信号的产生、分离是测量系统中信号处理常用的且十分重要的方法。在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控

4、制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到振荡器产生各种或高或低的频率满足需求，还需滤波器来传送输入信号中有用的频率成分，抑制或衰减无用的频率成分。滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个带通形式的滤波器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的元件，焊接出具体的实物，并在实验室对事物进行调试，观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。设计目的与意义本课程设计在完成专业基础课程学习的基础上，让学生

5、熟悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的实际问题，掌握工业生产和科学研究中测量电路的设计和各个功能模块的相互联系及总体连接，学生经过实践要求初步具备测量电路设计、焊接组装和调试的能力。测控电路课程设计是测控电路课程体系的一个重要环节，是按照控电路设计与实践教学大纲要求所进行的重要实践教学内容，是引导学生把基础理论与实际应用相结合的一个必不可少的中间环节。通过本设计，要求学生利用所学的基础理论，从设计步骤、设计表达、实际电路调试等方面，全面掌握相关有源滤波器设计显示电路的设计与调试技术，培养学生综合运用所学知识进行工程设计的能力，包括动手能力，独立思考能力，以及分析和解决工程实际问题等能力。、设

6、计任务与方案论证1. 课程设计（论文）的内容1、设计内容：（1）正弦波产生电路中文氏桥振荡工作原理分析；（2）分析正弦波产生电路中W2的作用；（3）计算二阶带通滤波器电路中各元件的参数；（4）用Matlab画出你所设计的二阶带通滤波器的幅频和相频曲线；2、使用Protel绘出电路原理图，布PCB板，建议使用热转印或者曝光方法制作电路板，根据系统原理图所设计的元件及参数，购买相应元器件，完成焊接、调试。2. 课程设计（论文）的要求与数据1、完成一个正弦波发生器和有源滤波器电路的分析与制作；2、讨论、分析与总结、提交设计报告。3. 课程设计（论文）应完成的工作1、电路原理图设计；2、电路工作原理分

7、析；3、电路参数计算与分析；4、电路制作、调试；5、撰写设计报告；4. 应收集的资料及主要参考文献1. 张国雄等编。测控电路，机械工业出版社，2001.8.2. 赵负图主编，现代传感器集成电路，人民邮电出版社，2000.1.3. 刘征宇主编，线性放大器应用手册，福建科学技术出版社，2005.1.4. 蔡锦福等编，运算放大器原理与应用，科学出版社，2005.7.5.自编，测控电路设计型实验任务书.5方案论证1正弦波产生电路正弦波产生电路分为RC正弦波产生电路与LC正弦波产生电路两类。RC正弦波振荡电路由R、C元件组成选频网络，一般用来产生lHzlMHz范围内低频信号；LC正弦波振荡电路由L、C元

8、件组成选频网络，一般用来产生1MHz以上的高频信号。本次课程设计中要求产生1kHz的正弦波振荡电路，故采用RC正弦波振荡电路。从结构上看，正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。振荡电路的振荡频率f是由电路的相位平衡条件决定的，且只在一个频率下满足相0位平衡条件，这个频率就是f。这就要求在电路环路中包含一个具有选频特性的网络，0简称选频网络。欲使振荡电路自行建立振荡，需要满足|AF|>1的条件，在接通电源后，振荡电路就有可能自行起振，或者说能够自激，最后趋于稳态平衡。RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路，双T网络式和移相式振荡电路等类型，本次课程设计要求采用文式电桥振荡

9、电路。2滤波器的选择根据有用信号与噪声的不同特性,消除或减弱噪声,提取有用信号的过程称为滤波,实现滤波功能的系统称为滤波器。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种。有源滤波器，一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。本次课程设计要求采用压控电压源二阶带通滤波器。二、设计原理分析11.5kHz的正弦波产生电路原理分析。1.1文

10、氏桥振荡电路原理图：选頻列络啟大电色I1=®*'B=文氏电桥原理图文氏桥振荡电路原理分析：文氏桥振荡器又叫RC桥式正弦波振荡器。它的特征是以集成运放为中心，以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入深度电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压。以正反馈量作为放大电路的净输入量，使电路满足相位平衡条件。电桥由Zl、Z2组成，同时兼作正反馈网络，称为RC串并联网络。由上图可知，Z1、Z2和Rf、R3正好构成一个电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。上图左点画线框所表示的网络具有选频作用，它的频率响应特性曲线具有

11、明显的峰值。由上图可得：1+sCRsCsC反馈网络的反馈系数为R1+sCRF(S)_V(sZ+Z012sCR1+3sCR+(sCR)21)就实际的频率而言，可用s=jw替换，则得2)如令w0=rC，则上式变为°)由此可RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应：32+rw3)4)和由上式可知，当1=0RC时，幅频响应的幅值最大，即FVmax而相频响应的相位角为零，即这就是说，当=丄时，输出电压的幅值最大（当输入电压的幅值一定，而0RC频率可调时），并且输出电压是输入电压的%，同时输出电压与输入电压同相，即有申=°。和p+p=0。这样，放大电路和由Z，Z2组成的反馈网络刚好形成正

12、反馈系faf统，满足相位平衡条件，因而有可能振荡。由于电路中存在噪声，频谱分布很广，其中也包括有=%=1RC这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中的稳压二极管限制，使振荡幅度自动稳定下来，开始时，代=i+Rf/略大于13，达到稳定平衡状态时，才卩=3,F=（=叫=!Rc），从而产生持续的振荡，其输出波形为正弦波，失真很小。起振时及振荡幅度较小时，R上压降不足于使D、D导通；当振荡幅度增至某一312值时，两二极管分别在输出电压的正负两个半周轮流导通，而且由于二极管正向导通的非线性，正向电压越大，正向电阻越小，使振荡器的负反馈深度加深，使

13、U幅度稳定O在某一值。1.3文氏桥振荡电路加上一个同向放大器变形得到如下电路：心中振有死抗作出號管阻工输話极出常的卅二输正器制服的的荡用克器它振出了荡响到引拘振參接端是干会器出R3由上丈输图中，R,C组成电桥的一个臂，R,C组成另一个臂，R,D,D与W组成电桥的另外11223121两个臂，起稳定振幅的作用，适当调节W,可以得到波形失真小，且工作稳定的输出波形。R是为了克服二极管死区而设的。分析上图正弦波产生电路中W2的作用:W2是接3在第二级的放大器的，振荡器的输出端输出地信号接在A2的同向端，可调电阻W2是为了改变输出信号的增益的，调整振荡器输出信号的振幅。2带通滤波器设计方案1. 压控电压

14、源二阶带通滤波器压控电压源型带通滤波器原理图如图3所示：图3压控电压源型带通滤波器原理图压控电压源二阶带通滤波器电路如图2所示，电路的传输函数为：A(s)=uAtsRC13AosuoQ211+-RR312(1-A)S+RC2kR311)+一'R123S2+os+325)上式中：3是带通滤波器的中心角频率。2分别为带通滤波器的高、低截止角频率。6)中心角频率：331o=QCIR(21+R311)-(1-A)Rf丿27)中心角频率3处的电压放大倍数：ouo111+(1-A)+RRf12上式中：A=1+R5fR49)通带带宽：BW=32一3110)1+R311)(1-A)Rf丿211)Q亠二

15、fBWAf(BW«30时)12)2. 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器图4无限增益型带通滤波器原理图无限增益多路负反馈带通滤波器电路如图3所示，电路的传输函数为1sRC1S+RC3i1RC23(11)一+一IRR丿12AosuoQS2+oS+32Qo13)上式中：3。=丫莎是带通滤波器的中心角频率。31、32分别为带通滤丄乙波器的高、低截止角频率。14)I1(11中心角频率：3二！+oVRC2IRR3V12中心角频率3o处的电压放大倍数:uoR32R1BW31o二一QCR33f4二0-BWAf(BW<<3°时)15)16)(17)3. 方案对比常用的有源二阶

16、滤波电路有压控电压源二阶滤波电路和无限增益多路负反馈二阶滤波电路。压控电压源二阶滤波电路的特点是：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。但是因为电路中存在正反馈，当增益过大时很容易导致自激荡。当KV3时，滤波f电路才能稳定工作。无限增益多路负反馈二阶滤波电路的特点是：运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。且因为无限增益多路反馈型滤波电路不存在正反馈，因而总是稳定的。考虑到这一

17、点，虽然此课题的K为2，符合压控电压源型的稳定工作条件，但是为了提高电路的总体性能，我们f组还是选择了用无限增益多路负反馈这个方案。三、相关参数的计算1正弦波产生电路的相关参数的计算。由以下公式：f二L02nRRCCV1212通过调节Rl,R2,Cl,C2的值，使得f0=1500Hz。先取Cl=10nF,C2=10nF,然后再确定Rl,R2，考虑到要得到精确的输出值，我们小组讨论决定，Rl,R2采用可精调的可调电阻，在调试的时候，再调节Rl,R2的阻值，使得f0=1500Hz。2二阶带通滤波器电路中各元件的参数的计算。由设计要求知，滤波器的指标要求为：通带中心频率：f二1.5kHz；通带电压放

18、0大倍数：A二2；通带带宽：纣=100Hz。可得：uo二2吋=2兀*1500,00Aw=2兀纣=2兀*100则品质因数Q=加15由测控电路（第3版天津大学张国雄主编）第l03页知：(W2-W2)2=(WW/Q)2c00cW:W2得：W=±0+W2c2Qi4Q20代入数据，得：wQ2900兀,wq3100兀c1c2则：f=1450Hz，f=1550Hzc1c2由测控电路(第3版天津大学张国雄主编)第118页二阶有源滤波器设计电容选择用表，可选择：C二C二O.OlyF12VRC2IR3'1211+（1一A）CIRRRf312A=uoA1+（1+：）R+G-A）RCRfR222R5

19、R4取R=R,运用Matlab软件计算，更加方便，精确，快捷。运行Matlab，输入以45下程序：rlr2r3=solve('sqrt(10"16/r3*(l/rl+l/r2)=1500*2*pi','10“8*(2/r3+l/rlT/r2)=100*2*pi','r3=2*r2','r1,r2,r3')解得：R=159.15k0，R=7.68k0，R=15.36k0123为了便于设计电路，取R4=R5=20kQ.综上所述，为了提高电路输出值的精确，我们小组讨论决定，R1，R2，R3采用可精调的可调电阻。在调试的时候，通

20、过旋转螺丝刀，调节节R1,R2,R3的阻值，使得输出更加精确的波形。3.Multisim仿真3.1Multisim仿真Multisim软件专门用于电路仿真，既可以分别对数字和模拟电路进行仿真，也可以将数字元件和模拟元件连接在一起进行仿真分析，还可以对射频电路进行仿真。有大量与实际对应的元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。且提供了十几种电路的分析功能，有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析等，以及强大的虚拟仪器仪表功能，如双踪示波器、逻辑分析仪、波特图示仪、数字万用表等十多种虚拟仪器仪表，可非常方便地用于分析和研究电路。为了得到更加准确的仿真数据和，我们组用Mul

21、tisim软件对我们的设计电路进行了仿真，由双踪示波器结果可知能够达到设计要求。为了保证设计数据的准确性和可行性，我们采用分级调试的方法进行仿真，通过分析电路结果和波形输出，确定电路的总设计方案。1.正弦波振荡电路文氏桥振荡电路原理图振荡电路和有源滤波器设计仿真原理图振荡电路输出与滤波器输出波形对比图4用Matlab画出二阶带通滤波器的幅频和相频曲线。1、先计算相关参数，得到滤波器的传递函数，然后在Matlab软件中输入相关程序程序如下：%对数幅频渐进特性曲线num=2000den=110015002bode(num,den);title('bodepolt')运行程序，得到二

22、阶带通滤波器的幅频和相频曲线，如下图所示：xbpdrleauTnaa100-10-20-30-40-5090bodepoltSystem:sysPeakgain(dB):6.02_Atfrequency(rad/sec):1.5e+003:1/X/'、一1-、450-45-90System:sysPhaseMargin(de|):120DelayMargin(sec)?0.00132Atfrequency(radFseq)ency9e+00sec)ClosedLoopStable?Yes由上面的bode图可以看出，带通滤波器的中心频率为1.5kHZ，i"一一J-System:

23、sysPhaseMargin(deg):-120DelayMargin(sec):0.00296Atfrequency(rad/sec):1.42e+003ClosedLoopStable?Yes104做函数的nyquist图，程序如下：num=2000den=110015002nyquist(num,den);title('nyquistpolt')运行程序，函数的nyquist图形如下nyquistpolt1dB”-2dB6dB-10dB0dBL'!,20dB、IIi2dB04dB8G4-20000024680000-20dB-1-0.5dB-4dBSystem:s

24、ysPhaseMargin(deg):-120DelayMargin(sec):0.00296Atfrequency(rad/sec):1.42e+0ClosedLoopStable?YesSystem:sys|Peakgain(dB):6.0：Frequency(rad/sec):1.5e+00System:sysPhaseMargin(deg):120DelayMargin(sec):0.00132Atfrequency(rad/sec):1.59e+003ClosedLoopStable?Yes0.51.5RealAxis四、电子线路设计与制作1.使用protel画出电路的原理图。利用p

25、rotel软件，画出上面仿真的电路原理图，如下图所示有源滤波器设计原理图电路PCB图2.电路板的焊接由于没有做印制电路板的相关经验，所以经小组讨论，我们选择自己动手直接焊接电路。但仍然需要我们使用protel画原理图，然后进行细心的PCB布线，这样我们才能够做到游刃于焊接之中，这样才能使我们的元件布局更合理，更美观。在PBC布线完成后，我们就可以按照我们的布线，进行焊接了。3电路的调试电路的调试主要分以下三步：一是1500Hz信号发生电路的调试，把其端口接在示波器一通道上，调节其信号发生电路中的可变电阻W1,观察示波器的输出波形，调节示波器的各个旋钮，直到其输出为正弦波为止，调节可变电阻W2,

26、观察输出波形的幅值变化，并测量其输出的频率。二是滤波器的调试，使用实验室中的函数信号发生器发生一个正弦信号，把信号发生器的输出端接在滤波器的输入端，滤波器的输出端接在示波器的的一个通道上，观察示波器的上波形的转折频率，然后改变函数信号发生器发生信号的频率，观察示波器上显示的波形情况，找出它的转折频率。当输入信号的频率为1500Hz时，我们可以看到是示波器的输出波形的幅值为输入波形的两倍，输出波形的衰减3dB处的频率大约是1500Hz。三是将信号发生电路和滤波电路连接起来，信号发生电路的输出端接示波器的通道一，滤波电路的输出端接示波器的通道二，调节电路的相关参数和示波器上的相关按钮，直到示波器上

27、输出的波形是两个同频率，无相位差的波形，并且滤波器输出端的波形的幅值为信号发生器输出端的波形的两倍。通过以上三步的调试，若能达到任务的要求，可算调试完成。否则，需要重新调试。当然这过程中会遇到很多问题，在调试的过程中会发现一些电路有错误或者不足的地方，这就需要我们去不断修改电路，希望最终能达到要求。调试后数据记录如下：中心频率放大倍数上限频率下限频率带宽1504.3HZ21553HZ1471HZ82HZ五、设计总结1.电路设计的结论与分析。我们小组经过讨论，选择的题目是“二阶带通滤波器设计”，首先得制作一个1.5kHz的正弦波振荡电路，再设计二阶带通滤波器，最后通过组合，完成整个设计要求。这过程中要用到几个应用软件，其中包括Multisim和DXPProtel和Matlab。这要求自己要有运用这些软件的技能。通过Multisim模拟整个电路和输出波形，通过Protel来制作电路板，且通过Matlab绘制滤波器幅频和相频特性曲线。由于Multisim与Matlab专业课程安排上已