有源濾波器的設計和實現-課程設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目 有源濾波器設計 </p><p>　　課 程 名 稱 模擬電子技術B </p><p>　　二 級 學 院 機電工程學院 </p><p>　　設計起止時間：2016年12月1

2、9日至2016年12月23日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設計任務與要求……………………………………………………………2</p><p>　　二、設計方案……………………………………………………………………3</p><p>　　2.1 總方案設計………………………………………

3、…………………… 3</p><p>　　2.1.1 方案框圖……………………………………………………… 3</p><p>　　2.1.2 子框圖的作用………………………………………………… 3</p><p>　　2.1.3 方案選擇……………………………………………………… 3</p><p>　　三、設計原理與電路…………………………

4、…………………………………5</p><p>　　3.1 單元電路的設計……………………………………………………… 5</p><p>　　3.1.1 原理圖設計…………………………………………………… 5</p><p>　　3.1.2 濾波器的傳輸函數與性能參數……………………………… 6</p><p>　　3.2元件參數的計算………

5、……………………………………………… 8</p><p>　　3.2.1 二階低通濾波器……………………………………………… 8</p><p>　　3.2.2 二階高通濾波器……………………………………………… 9</p><p>　　3.2.3 二階帶通濾波器……………………………………………… 9</p><p>　　3.3 元器件選擇

6、…………………………………………………………… 9</p><p>　　3.4 工作原理………………………………………………………………10</p><p>　　四、電路的組裝與調試……………………………………………………… 11</p><p>　　4.1 MultiSim電路圖…………………………………………………… 11</p><p&g

7、t;　　4.2 MultiSim仿真分析……………………………………………………13</p><p>　　五、設計心得………………………………………………………………… 16</p><p>　　附 錄……………………………………………………………………………16</p><p>　　附錄Ⅰ 元件清單…………………………………………………………… 17</p

8、><p>　　附錄Ⅱ Protel原理圖 ……………………………………………………… 17</p><p>　　參 考 文 獻……………………………………………………………………18</p><p><b>　　有源濾波器設計</b></p><p><b>　　摘要：</b></p>&

9、lt;p>　　在《模擬電子技術基礎》的學習基礎上，針對課設要求，設計了多重反饋有源帶通濾波器。本次設計，是有電阻、電容、放大器組成的電路。該濾波器的中心頻率是10KHz。該濾波器阻值低于50Hz和高于20Hz頻率的信號通過，只允許50Hz到20KHz之間的信號通過。該濾波器屬于有源濾波器，由無源元件和有源元件組成。這類濾波器的優(yōu)點是：帶內的信號不僅沒有消耗能量，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相連是相互影響很小。設計用到了LM

10、324放大器，它既可接單電源使用（3~30V），也可以接雙電源使用（±1.5~±15V），不需要調零。 </p><p>　　關鍵詞：RC網絡；反饋網絡；運算放大器；濾波器</p><p><b>　　1 任務與要求</b></p><p><b>　　1.1 設計任務</b></p>

11、<p>　　有源濾波器是由有源元件和無源元件(一般是R和C)共同組成的電濾波器，和無源濾波器相比，它的設計和調整過程較簡便，此外還能提供增益。本課程設計選擇二階有源濾波器作為主要研究對象。</p><p>　　自已設計電路系統，構成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用Multisim仿真軟件進行仿真。</p><p><b>　　1.2 設計要求</b&g

12、t;</p><p>　?。?）設計電路圖，確定前置放大電路，有源濾波電路，功率放大電路的方案，并使用相應繪圖軟件畫出設計電路，包括低通、高通和帶通；</p><p>　?。?）所設計的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負載能力要強；</p><p>　?。?）根據給定要求和電路原理圖計算和選取單元電路的元件參數；</p><p>　　

13、（4）用Multisim仿真軟件對濾波器進行仿真，記錄仿真結果。</p><p><b>　　2 設計方案</b></p><p><b>　　2.1 總方案設計</b></p><p><b>　　2.1.1方案框圖</b></p><p>　　圖2.1.1 RC有源濾波

14、總框圖</p><p>　　2.1.2子框圖的作用</p><p>　　（1）RC網絡的作用</p><p>　　在電路中RC網絡起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。</p><p><b>　?。?）放大器的作用</b></p><p&

15、gt;　　電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。</p><p>　　（3）反饋網絡的作用 </p><p>　　將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網絡，反饋網絡分為正、負反饋。</p><p><b>　　2.1.3方

16、案選擇</b></p><p>　　濾波器在通信測量和控制系統中得到了廣泛的應用。一個理想的濾波器應在要求的頻（通內具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數來逼近理想濾波器的頻率特性。</p><p>　　用運算放大器和RC網絡組成的有源濾波器具有許多獨特的優(yōu)點。因為不用電感元件，所以免除了電感所固有的非線性特

17、性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點。由于運算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz~106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-3~10~10-5）/攝氏度，頻率精度為+（3~5）%，并可用簡單的級聯來得到高階濾波器且調諧也很方便。</p><p>　　濾波器的設計任務是根據給定的技術指標選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術指標有通帶

18、和阻帶之分，通帶指標有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數。阻帶指標為帶外傳輸系數的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設計中的考慮原則。</p><p>　?。?）關于濾波器類型的選擇</p><p>　　一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數變化比較敏感，在這點上它不如

19、壓控電壓源型二階濾波器。當要求帶通濾波器的通帶較寬時，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好</p><p><b>　?。?）級數選擇</b></p><p>　　濾波器的級數主要根據對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍

20、頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函數總特性的階數等于各級階數之和。當要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時，則取級數n應滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。</p><p><b>　?。?）運放的要求</b></p><p>　　在無特殊要求的情況下，可選用通用型運算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運放的開環(huán)增應在8

21、0dB 以上。對運放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設工作頻率的上限為Fh,則運放的單位增益寬帶應滿足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中為濾波通帶的傳輸系數。</p><p>　　如果濾波器的輸入信號較小，例如在10mV以下，則選低漂移運放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網絡中電阻元件的值超過100kΩ，則應選低漂移高輸入阻抗的運放。</p><p><b>

22、;　?。?）元器件的選擇</b></p><p>　　一般設計濾波器時都要給定截止頻率fc (ωc)帶內增益Av，以及品質因數Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設計時經常出現待確定其值的元件數目多于限制元件取值的參數之數目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據工作頻率范圍按照表1.1.3

23、初選電容值。</p><p>　　表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應關系</p><p>　　3 設計原理與電路</p><p>　　3.1 單元電路的設計</p><p>　　3.1.1 原理圖設計</p><p><b>　　（1）低通濾波器</b></p>&l

24、t;p>　　低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。</p><p>　　如圖3.1.1.1（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。</p><p>　　圖3.1.1.1（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。</p><p>　　圖3.1.1.1

25、二階低通濾波器</p><p><b>　　（2）高通濾波器</b></p><p>　　高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。</p><p>　　將圖3.1.1.1低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖3.1.1.2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應和低通濾波器是“鏡象”關系

26、。</p><p>　　圖3.1.1.2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。</p><p>　　圖3.1.1.2 二階高通濾波器</p><p><b>　　（3）帶通濾波器</b></p><p>　　帶通濾波器的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。

27、</p><p>　　典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成。如圖3.1.1.3（a）所示。本電路的優(yōu)點是改變Rf和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。</p><p>　　圖3.1.1.3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。</p><p>　　圖3.1.1.3 二階帶通濾波器</p><p>　　3.1.2

28、濾波器的傳輸函數與性能參數</p><p>　　由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號，因受運算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，根據要求我們僅研究低通、高通、帶通三種濾波器。它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實現的，只能用實際特性去逼近理想的，

29、常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應和切比雪夫等波動響應。在不許帶內有波動時，用巴特沃斯響應較好，如果給定帶內所允許的紋波差，則切比雪夫響應較好。</p><p>　?。?）濾波器的傳輸函數</p><p>　　表3.1.2.1 二階RC濾波器的傳輸函數表</p><p>　　（2）單元電路性能參數</p><p><b>　　

30、1）低通濾波器</b></p><p>　　二階低通濾波器的通帶增益</p><p>　　截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。</p><p>　　品質因數，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。</p><p><b>　　2）高通濾波器</b></p><p&

31、gt;　　二階高通濾波器的通帶增益</p><p>　　截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。</p><p>　　品質因數，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。</p><p><b>　　3）帶通濾波器</b></p><p><b>　　通帶增益 </b><

32、;/p><p><b>　　中心頻率 </b></p><p><b>　　通帶寬度 </b></p><p>　　選擇性 </p><p>　　3.2 元件參數的計算</p><p>　　3.2.1 二階低通濾波器</p><p>

33、;　　二階低通濾波器性能參數表達式為</p><p>　　ωC2＝１/（CC1RR1）</p><p><b>　　Q=0.707</b></p><p>　　ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 </p><p>　　AV=1+R4/R3 </p><p>　　3.2.2

34、 二階高通濾波器</p><p>　　二階高通濾波器性能參數表達式為</p><p>　　ωC2＝１/（CC1RR1） </p><p><b>　　Q=0.707</b></p><p>　　ωC /Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 </p><p>　　AV=1+R4/R3

35、 </p><p>　　3.2.3 二階帶通濾波器</p><p>　　二階帶通濾波器性能參數表達式為</p><p>　　ωC2＝(1/R1+1/R3)/R2C2 </p><p>　　Q=ω0/BW </p><p>　　AV=1+R4/R5(AV≤2) </p><p>&l

36、t;b>　　3.3 元器件選擇</b></p><p>　　電阻的選擇：根據參數計算得的結果和市場上所出售的請況而選擇，見附錄清單。</p><p>　　電容的選擇：根據電阻的確定和規(guī)定的截止頻率而選擇，見附錄清單。</p><p>　　運放的選擇：本電路選擇了八管腳的UA741單運放。</p><p><b>　

37、　其管腳圖如下，</b></p><p>　　圖3.2.1 Ua741管腳圖</p><p>　　圖3.2.2 uA741 內部原理圖</p><p><b>　　3.4 工作原理</b></p><p>　　濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時抑制無用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運算放大器、電容和

38、電阻可構成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負載能力。由于受到集成運算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號能通過而高頻信號不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號能通過而該頻段之外的信號不能通過的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其

39、余頻率范圍，信號則能順利通過。</p><p>　　4 電路的調試與分析</p><p>　　4.1 MultiSim軟件介紹</p><p>　　Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿

40、真實驗和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數字電路、數?；旌想娐泛筒糠謴婋婋娐返姆抡?、分析和設計。</p><p>　　Multisim是一種優(yōu)秀而易學的WDA（電子設計自動化）軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點就是提供了一個操作簡便且與實際相似的虛擬實驗平臺。他幾乎能對”電子技術”課程中所有基本電路進行虛擬實驗，虛擬實驗過程和儀器操作方法與實際相似，但比實際方便、省時。他還能進行實際無法或不便

41、進行的試驗內容，通過儲存和打印等方法可精確記錄器實驗結果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實際工作狀態(tài)和性能。</p><p>　　應用Multisim，便于實現邊學邊練的教學模式，使“電子技術”課程的學習變得更有趣而容易。</p><p>　　4.2 MultiSim電路圖</p><p>　?。?）二階低通濾波器</p><p>　

42、　圖4.1.1二階低通濾波電路</p><p>　?。?）二階高通濾波器</p><p>　　圖4.1.2二階高通濾波電路</p><p>　?。?）二階帶通濾波器</p><p>　　圖4.1.3二階帶通濾波電路</p><p><b>　?。?）總濾波電路</b></p><

43、;p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　4.3 MultiSim仿真分析</p><p>　　（1）二階低通濾電路</p><p>　　圖4.2.1（a）低通濾電路輸入輸出波形圖</p><p>　　圖4.2.1（b）低通濾波電路的頻率特性</p><p>　?。?）二階高

44、通濾電路</p><p><b>　　圖4.2.2（a）</b></p><p><b>　　圖4.2.2（b）</b></p><p>　?。?）二階帶通濾電路</p><p><b>　　圖4.2.3（a）</b></p><p><b>

45、　　圖4.2.3（b）</b></p><p><b>　　5 結論</b></p><p>　　本次課程設計是二階有源濾波器的設計與實現,由我們四個集體完成，此次課程設計將理論和實踐相結合。通過這次的課程設計拓寬了自己對模擬電子技術這門課的認識，也增強了我的動手操作能力，也鍛煉了自己的實踐能力，在此過程中我們采用了仿真和制板軟件Multisim和Alt

46、ium Designer。自已設計電路系統，構成了低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用Matlab或其他仿真軟件進行仿真，所設計的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負載能力要強，根據給定要求和電路原理圖計算和選取單元電路的元件參數。</p><p>　　回想起此次課程設計過程中經歷的種種困難，遇到不明白的問題時，與他人討論，查閱書籍的過程，所有的努力都指向一個明確的目標。也深深地知道團隊的力量是無窮大的

47、。我真的很感動，此次課程設計不僅使我學會了不少東西，更讓我體會到人與人之間的溝通的樂趣，感謝此次課程設計過程中給予我們悉心指導的魏老師，使我們一起努力的完成了本次課程設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 彭介華.電子技術課程設計指導[M].北京：高等教育出版社，1997.</p><p>　　[2]

48、謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].3版.武漢：華中科技大學出版社，2006.</p><p>　　[3] 童詩白、華成英.模擬電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[4] 陸秀令、韓清濤.模擬電子技術[M].北京：北京大學出版社，2007.</p><p><b>　　致謝</b&g