滤波器模电课程设计.docx

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1、 带通滤波器目录第一章 摘要.3第二章 设计任务和求.3 2.1 设计任务.3 2.2设计要求3第三章 总体方案选择论证.4第四章 单元电路的设计.64.1 直流电源的设计64.2 带通滤波器主体电路84.3 带宽检测电路25第五章 总体电路图27第六章 组装与调试28 6.1仪器列表28 6.2数据波形29 6.3组装调试方法技巧.29 6.4故障排除30第七章 电路特点与改进意见31第八章 器件列表.32第九章 参考文献.32第十章 收获体会.33第一章摘要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。工程上常常用它来作信号处理、数据传输和抑制干扰。滤波器电路的功能主

2、要是传送输入信号中有用的频率成分。本文主要讨论设计一个由运算放大、R和C组成的具有反馈的有源带通滤波器。在正文中具体阐述了设计有源带通滤波器的过程及方法，并且运用Multisim软件进行仿真和分析最后进行硬件的制作与调试。【关键词】带通滤波器反馈 Multisim第二章设计任务和求2.1 设计任务采用高通滤波器和低通滤波器级联的设计方案实现带通滤波器的设计,通过多级反馈,减少干扰信号对滤波器的影响。为了便于检测滤波电路的通带特性,设计一个带宽检测电路,通过发光二极管的亮灭检测电路的带宽范围。2.2 设计要求(1)输入信号:有效值为1V 的电压信号(2)输出信号中心频率f0通过开关切换,分别为1

3、kHz和10kHz,误差5%以内;(3)带通滤波器带宽:BW=(fH -fL ),增益符合要求情况下带宽尽可能窄;(4)用LED 发光二极管显示上下限截止频率。第三章总体方案选择论证总体方案选择的论证。内容含曾考虑过的各方案框图、简要原理和优缺点以及所选定方案之理由等。方案一由于实验要求Q值及增益K值均较小，所以可以使用无限增益型滤波器电路，该电路比较简单，是常用的反相增益滤波器。具有稳定性好和输出阻抗低的优点，易于与其它电路级联构成高阶滤波器。电路图及计算公式如下。但是该设计没有反馈回路，不够稳定。方案二电路原理框图：该实验设计由两部分组成。一是主电路部分，即带通滤波器电路，实现信号的滤波,

4、由高通滤波器、低通滤波器、反馈通路组成;二是带宽检测电路,检测所设计的滤波器的频带宽度,验证滤波器参数设计的准确性,由线性检波滤波电路和比较显示电路组成。 与方案一相比，该电路有明显的稳定性。第四章单元电路的设计4.1 直流电源的设计 电路中，我们需要15V的直流电压源，需将220V，50hz的交流电转化为15V直流电。1. 如下图所示，直流电源是由变压电路，单项整流电路，滤波电路及稳压电路构成。其中，变压电路来改变电压值，这里既降压。整流电路是将交流信号变为直流脉动信号，并经过滤波电路减小脉动。为防止负载变化对输出信号的影响，在最后环节加上稳压电路，使输出电压基本保持不变。 设变压器副边有效

5、值为U2，单相整流电路输出电压为Uo(AV),负载电流为IL(AV)。考虑到电压波动范围为10%，二极管极限参数需满足 所以二极管的选择时，其耐压值应不下于24V。所设计的电路图如下所示：对于稳压部分，我们采用串联稳压电路，因为串联稳压电路具有良好的负载调整率，稳定度高，准确度高。4.2 带通滤波器主体电路通过三个集成运算放大器分别对输入信号一次实现高通、带通和低通,再将高通滤波输出波形和低通滤波输出波形反馈到最初的集成运算放大器处, 以减少干扰信号对滤波器的影响。由于所要设计的带通滤波器中心频率可调,因此,需对电路中的电阻进行合理选择。参数计算如下：设输入电压为vi，三个运放出来的电压分别为

6、v1，v2，v3。根据“虚短”和“虚断”的原则,可得到以下方程组:viv1+v32=v1+v32v2v1=jwR1C1v2v3=v2jwR2C2v2vi=SR2C2S2R1C1R2C2+SR2C2+1所以w0=1R1C1R2C2Q=R1C1R2C2且v2vi=jww0Qw2+jww0Q+w02v2vi=1jf0fQ+jff0Q+1Q=3时，设C1=C2=1nf， R1=9R2f0=1k时，得R2=53k，R1=477kf0=10k时，得R2=5.3k，R1=47.7k且Q=3，v2vi=12时f0f=37+16或3716即fH=37+16f0=1.18f0, fL=3716f0=0.847f0

7、带宽为fHfL=f031k电路图如下所示：仿真结果如下所示：如图易得，频率为1k，输入信号经过带通滤波器所得信号波形与原信号反向，且通道A数据可看出，输入输出幅值均为1.414V，即增益为1，与理论相符。如图易得，增益在0dB时，频率为1khz，仿真误差为0%。如图易得，增益在-3dB时，上限频率为1.188khz。如图易得，增益在-3dB时，下限频率为852.174hz。带宽为335hz，仿真误差为0.6%。10k电路图如下所示：如图易得，频率为10k，输入信号经过带通滤波器所得信号波形与原信号反向，且通道A数据可看出，输入输出幅值均为1.414V，即增益为1，与理论相符。如图易得，增益在0

8、dB时，频率为10khz，仿真误差为0。如图易得，增益在接近-3dB时，上限频率为11.884khz。如图易得，增益在-3dB时，下限频率为8.551khz。带宽为33.3hz，仿真误差为0。Q=1时，设C1=C2=1nf， R1=R2f0=1k时，得R2=159k，R1=159kf0=10k时，得R2=15.9k，R1=15.9k且Q=1，v2vi=12时带宽为fHfL=f01k电路图如下所示：如图易得，频率为1k，输入信号经过带通滤波器所得信号波形与原信号反向，且通道A数据可看出，输入输出幅值几乎均为1.414V，即增益为1，与理论相符。如图易得，增益在0dB时，频率为1khz，仿真误差为

9、0%。如图易得，增益在-3dB时，上限频率为1.616khz。如图易得，增益在-3dB时，下限频率为616.28hz。带宽为1khz，仿真误差为0。10k电路图如下所示：如图易得，频率为10k，输入信号经过带通滤波器所得信号波形与原信号反向，且通道A数据可看出，输入输出幅值均为1.414V，即增益为1，与理论相符。如图易得，增益在0dB时，频率为10.116khz，仿真误差为1.16%。如图易得，增益在-3dB时，上限频率为16.163khz。如图易得，增益在-3dB时，下限频率为6.163khz。带宽为10k，仿真误差为0。Q=0.5时，设C1=C2=1nf， 4R1=R2f0=1k时，得R

10、2=318.4k，R1=79.6kf0=10k时，得R2=31.84k，R1=7.96k且Q=1，v2vi=12时带宽为fHfL=2f01k电路图如下所示：如图易得，频率为1k，输入信号经过带通滤波器所得信号波形与原信号反向，且通道A数据可看出，输入输出幅值均为1.414V，即增益为1，与理论相符。如图易得，增益在0dB时，频率为1khz，仿真误差为0%。如图易得，增益在-3dB时，上限频率为2.407khz。如图易得，增益在-3dB时，下限频率为418.606hz。带宽为1.989khz，仿真误差为0.55%。10k电路图如下所示：如图易得，频率为1k，输入信号经过带通滤波器所得信号波形与原

11、信号反向，且通道A数据可看出，输入输出幅值均为1.414V，即增益为1，与理论相符。如图易得，增益在0dB时，频率为10.233khz，仿真误差为2.33%。如图易得，增益在-3dB时，上限频率为24.07khz。如图易得，增益在-3dB时，下限频率为4.128khz。带宽为19.942khz，仿真误差为0.29%。4.3 带宽检测电路带宽检测电路主要由峰值检测电路和比较器(运算放大器实现)组成。峰值检测电路中，两个波形大小与上图Ra，Rb，Rc以及Ra，Rb，Rc的阻值选择有关,经过滤波转换成直流电压, 且Rc=Ra+Rb，输出直流电路与输入峰值之比为RaRc。电路中RaRc=0.5，为了检

12、测电路的准确性，峰值检测波形A，B通道比例选择为2:1，所得波形如下图所示比较器中，带通滤波输出信号v2 和外部输入信号vi 分别经过峰值检测电路后，所得的直流信号进行比较,并将比较结果用发光二极管的亮灭状态显示。调节滑动变阻器，当其为70%时，带通滤波器输入信号的频率为带通滤波器的上下限频率时,比较器的两个输入信号大小相同,发光二极管处于亮灭之间;当信号频率处于上下限频率之间时,发光二极管熄灭;反之,二极管点亮。通过上述检测过程,易得BW= fHfL第五章总体电路图通过直流电源部分，可以得到电路中所需要的15V直流电压。滤波电路中，第二个运放后的节点可得到我们所需要的带通滤波信号，且所得信号

13、的中心频率时的波形，以及波特图在4.2中均已列出。带宽检测电路中，峰值检测电路后得到的是直流信号，且为输入信号峰值的一半，当A，B通道选择比例为2:1时，可以看到很好的波形效果，结果如4.3中波形所示。第六章组装与调试6.1仪器列表设备名称型号出产厂家出产日期双踪示波器G0S-6021Good Will Instrument Co., Ltd. (固纬电子实业)2004稳压电源GPS-3303（3CH）GWInstek2004函数发生器EE-1642B1南京新联电子有限公司南京电讯仪器厂制造2000年11月20日万用表M9803东莞华仪仪表科技有限公司交流毫伏表AS-2294上海爱仪电子有限公

14、司20036.2数据和波形 实验最终结果得Q=3时，1k中心频率经过LED显示，范围在993hz与1.001khz之间，实验误差为0.3%；带宽为365hz，误差为9.6%。由于w0=1R1C1R2C2Q=R1C1R2C2为了在尽量不改变w0的情况下，将Q增大，所以适当增大R1减小R2。Q=3，10khz时，中心频率为10khz，误差几乎为0，带宽为3.1k，误差为6.9%。为了在尽量不改变w0的情况下，将Q减小，所以适当减小R1增大R2。6.3组装调试方法技巧组装调试过程中，电路按模块搭建并调试。电路搭建过程中，面包板俩端设置为+VCC与-VCC，中间布地线，这样可以使得电路中的地线尽量短。

15、因为只有模拟地，所以一根地线足够。 另一方面，输入信号vi与输出信号v2避免相邻平行，以免产生反射干扰。其他线的布局上，相邻布线尽量使其垂直，避免平行，以防产生寄生耦合。6.4故障排除带通滤波器主体电路模块：故障1：初次搭建电路后，接入电源，发现353发烫。原因诊断及排除方法：及时关掉电源，检查电路，发现开关串联，重新搭建电路。故障2：再次修改搭建电路检查过后，接入电路，测得中心频率为600hz左右，明显小于要求中心频率。原因诊断及排除方法：排除电路错误原因后，检查器件过程中发现电容明显大于标称值，为适当减小电容，选择串联电容的方法。在减小电容后，又经过多次测试适当调整电阻，最后才使得中心频率

16、较为标准。带宽检测电路模块：故障1：搭建好峰值检测电路后，用万能表测得v2为输入的12时，发现带宽为500hz与5khz左右，与理论值相差太多。原因诊断及排除方法：在带通滤波器主体电路模块调试过程中，在调整中心频率时，忽略了Q=R1C1R2C2使得Q值太小。于是在调整Q值时，为了兼顾w0=1R1C1R2C2与Q=R1C1R2C2，在适当减小R2时，并适当增大R1。最终使得中心频率域带宽均在一个比较理想的状态。第七章电路特点与改进意见 特点：1、 通过多级反馈,减少干扰信号对滤波器的影响。2、 为便于检测滤波电路的通带特性,设计了带宽检测电路,通过发光二极管的亮灭检测电路的带宽范围。改进意见：1

17、、 由于电路要求中Q值与增益K均小于1，可以使用无限增益(MFB)型滤波器，这样不仅可以简化电路，而且该滤波器具有较好的稳定，且输出阻抗低，易于与其它电路级联构成高阶滤波器，在以后的学习中比较容易扩展。2、 可以在以后设计中使用PCB版，增加同学动手能力。第八章器件列表开关*2LM353*3电容102*3+470u*1电阻10k*2+20k*2+470k+6.7k+53k+4.7k+5.3k。第九章参考文献1李祥臣，模拟电子技术基础教材，北京:清华大学出版社,2005.2杨素行，清华大学电子学教研组，模拟电子技术基础简明教程，北京：高等教育出版社，2006.396399.3徐晓夏等，模拟电子技术基础，北京:清华大学出版社,2008.064 王济浩，模拟电子技术基础，王济浩，北京:清华大学出版社,20095LM353 6 浅谈滤波器的作用及常用滤波器电路第十章收获体会收获、体会：1、 对带通滤波器，反馈电路，峰值检测电路及比较电路有了更加实际的了解2、 进一步熟悉了multisim仿真软件。3、 调试电路时要兼顾多个参数，不能顾此失彼。建议：1、 可以拓展PCB版制作电路2、 实验应该更加注重实际电路环节。 32 / 32