通信电子线路课程设计报告

-.z-.z摘要滤波器是一种能够滤除不需要频率的分量、保存有频率分量的电路。工程上常用于信号处理、数据传输和一直干扰等方面。利用计算放大器和无源器件〔R、L、C〕构成有源滤波器具有一定的电压放大和输出缓冲作用。按滤除频率分量的*围来分，有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。本文介绍介绍了有源滤波器的具体功能及特点，并利用Multisim11.0软件完成有源滤波电路的设计及仿真。关键词：有源滤波器滤波器频率Multisim11.0AbstractFilteristofilteroutfrequencyponentsdonotneedandto:retainausefulfrequencyponentsofthecircuit.Projectsmonlyusedinsignalprocessing,datatransmissionandsuppressinginterferenceandsoon.Theactivefilterconstitutedbyusingoperationalamplifiersandpassiveponents(R,L,C)hascertaineffectofvoltageamplificationandoutputbuffer.Frequencyponentsbyfilteringtherangetopoints,activefiltercanbedividedintolow-passfilter,highpassfilter,bandpassandbandstopfilter.Thisarticledescribesthespecificfunctionsandcharacteristicsofactivefilter,andusesMultisim7softwaretopletethedesignofactivefiltercircuit.Keywords:ActiveFilterFrequencyMultisim11.0目录第1章绪论11.1课题背景11.2设计任务11.3设计要求1第2章设计方案22.1方案框图22.2子框图的作用22.3方案选择2第3章设计原理与电路53.1试验原理53.1.1原理图设计63.1.2滤波器的传输函数与性能参数83.2工作原理10第4章电路的组装与调试114.1Multisim电路图114.2Multisim仿真分析13第5章设计总结17附录18Protel原理图18PCB图19参考文献20-.z第1章绪论1.1课题背景有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及对变化的无功进展补偿。顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克制LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点〔传统的只能固定补偿〕，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。有源滤波器的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,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件〕；但是通频带*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。1.2设计任务1、学习二阶有源滤波器的设计方法；2、设计二阶有源滤波器〔低通、高通、带通、带阻〕；3、掌握有源滤波器的测试方法；4、测量有源滤波器的幅频特性。1.3设计要求1、分别设计二阶有源低通、高通、带通、带阻滤波器电路，拟定测试方案和步骤；2、在Multisim11.0里仿真电路；3、绘制PCB图。第2章设计方案2.1方案框图RC网络RC网络反应网络放大器图2.1RC有源滤波总框图2.2子框图的作用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RVF=1+R4/R3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.反应网络的作用将输出信号的一局部或全部通过牧电路印象输入端，称为反应，其中的电路称为反应网络，反应网络分为正、负反应。2.3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〔通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，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。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。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输入电阻低，所以能提供一定的信号增益和缓冲作用，这种滤波器的频率*围约为10-3Hz~106Hz,频率稳定度可做到〔10-3~10~10-5〕/摄氏度，频率精度为+〔3~5〕%，并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。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。滤波器等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。关于滤波器类型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。无限增益多环反应型滤波器的特性对参数变化比拟敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。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dB每倍频程〔或dB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)。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。为了满足足够深的反应以保证所需滤波特性，运放的开环增应在80dB以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定。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，以至使RC网络中电阻元件的值超过100kΩ，则应选低漂移高输入阻抗的运放。元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率fc(ωc)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*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，可根据工作频率*围按照表初选电容值。表滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(1~10)Hz〔10~102〕Hz〔102~103〕Hz〔1~10〕KHz〔10~103〕KHz〔102~103〕KHzC(20~10)F〔10~0.1〕uF〔0.1~0.01〕uF〔104~103〕pF〔103~102〕pF〔102~10〕pF第3章设计原理与电路3.1试验原理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有滤波器级联实现。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*围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率*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*围。根据对频率*围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。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。下列图为四种滤波电路的幅频特性示意图：〔a〕低通〔b〕高通〔c〕带通〔d〕带阻图3.1四种滤波电路的幅频特性示意图原理图设计1.低通滤波器低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图.1〔a〕所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反应，以改善幅频特性。图.1〔b〕为二阶低通滤波器幅频特性曲线。(a)电路图(b)频率特性图.1二阶低通滤波器2.高通滤波器高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。将图.1低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象〞关系。图.2〔b〕为二阶高通滤波器幅频特性曲线。(a)电路图(b)幅频特性图.2二阶高通滤波器3.带通滤波器带通滤波器的作用是只允许在*一个通频带*围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图.3〔a〕所示。本电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。图.3〔b〕为二阶高通滤波器的幅频特性曲线。〔a〕电路图(b)幅频特性图.3二阶带通滤波器4.带阻滤波器带阻滤波器和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过〔或受到很大衰减或抑制〕，而在其余频率*围，信号则能顺利通过。典型的带通滤波器可以在双T网络后加一级同相比例运算电路构成。如图.4〔a〕所示。图.4〔b〕为二阶带阻滤波器的幅频特性曲线。(a)电路图(b)频率特性图.4二阶带阻滤波器滤波器的传输函数与性能参数由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*围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率*围以外的信号，因受运算放大器带宽限制，这类滤波器仅适用于低频*围，根据频率*围可将其分为低通、高通、带通与带阻四种滤波器，它们的幅频特性如下列图所示，具有理想特性的滤波器是很难实现的，只能用实际特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦响应和切比雪夫等波动响应。在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好，如果给定带内所允许的纹波差，切比雪夫响应较好。1.滤波器的传输函数表.1二阶RC滤波器的传输函数表类型传输函数性能参数低通——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.单元电路性能参数〔1〕低通滤波器二阶低通滤波器的通带增益品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。〔2〕高通滤波器二阶高通滤波器的通带增益品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。〔3〕带通滤波器通带增益中心频率通带宽度选择性〔4〕带阻滤波器通带增益中心频率带阻宽度0选择性3.2工作原理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。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指*一段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，带阻滤波器和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过〔或受到很大衰减或抑制〕，而在其余频率*围，信号则能顺利通过。第4章电路的组装与调试Multisim是美国国家仪器〔NI〕**推出的以Windows为根底的仿真工具，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、数模混合电路和局部强电电路的仿真、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〞课程中所有根本电路进展虚拟实验，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。他还能进展实际无法或不便进展的试验内容，通过储存和打印等方法可准确记录器实验结果。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。应用Multisim，便于实现边学边练的教学模式，使“电子技术〞课程的学习变得更有趣而容易。4.1Multisim电路图1.二阶低通滤波器图二阶低通滤波电路2．二阶高通滤波器图二阶高通滤波电路3.二阶带通滤波器图二阶带通滤波电路4.二阶带阻滤波器图二阶带阻滤波电路4.2Multisim仿真分析分析结果图1.二阶低通滤波器电路图〔a〕二阶低通滤波器电路仿真显示波形所加输入信号的有效电压V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下图，其最最大电压约为998mv，故输出电压的有效电压值U0=0.998×0.707=0.705586v；由以上分析知电压放大倍数A=U0/V1=14.1。图〔b〕二阶低通滤波器电路仿真显示幅度分析上图知电路的截止频率在336Hz左右。稍有偏差是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内阻电压放大倍数引起的，在误差允许的*围内。2.二阶高通滤波器电路图〔a〕二阶高通滤波器电路仿真显示波形所加输入信号的有效电压V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下图，其最最大电压约为1.116v，故输出电压的有效电压值U0=1.116×0.707=0.789012v；由以上分析知电压放大倍数A=U0/V1=15。图〔b〕二阶高通滤波器电路仿真显示幅度分析上图知电路的截止频率在1.513kHz左右。稍有偏差是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内阻电压放大倍数引起的，在误差允许的*围内。二阶带通滤波器电路图〔a〕二阶带通滤波器电路显示波形所加输入信号的有效电压V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下图，其最最大电压约为6.238v，故输出电压的有效电压值U0=6.238×0.707=4.410266v；由以上分析知电压放大倍数A=U0/V1=80。图〔b〕二阶带通滤波器电路显示幅度分析上图知电路的截止频率在1.042kHz左右。稍有偏差是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内阻电压放大倍数引起的，在误差允许的*围内。4.二阶带阻滤波器电路图〔a〕二阶带阻滤波器电路显示波形所加输入信号的有效电压V1=50mv，波形通道A和波形通道B如下图，其最最大电压约为601.455mv，故输出电压的有效电压值U0=601.455×0.707=0.425012v；由以上分析知电压放大倍数A=U0/V1=8.5。图〔b〕二阶带阻滤波器电路显示幅度分析上图知电路的截止频率在18.267MHz左右。稍有偏差是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内阻电压放大倍数引起的，在误差允许的*围内。第5章设计总结本次信号与系统课程设计二阶有源滤波器,通过理论推导、电路设计和电路仿真有效的结合起来，成功地运用运放、电阻和电容组成有源低通滤波器，高通滤波器，和带通，带阻滤波器并用Multisim11.0进展仿真。通过仿真可证实二阶有源滤波器更能够有效地滤除不需要频率的分量、保存有频率分量的电路；具有一定的电压放大和输出缓冲作用。本次信号与系统课程设计由于是个人独立选定课题，所以在此过程的开场时根本上都是在自己独立思考，同时又由于涉及所采用的仿真和设计软件Multisim不是很熟悉，因此前一段时间多事在摸索中