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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 東 北 石 油 大 學 課 程 設 計 課 程 電子線路綜合課程設計 題 目 有源濾波器設計 院 系 電子科學學院 專業(yè)班級 電子信息工程14-3 學生姓名 陳忠昕 學生學號 8 指導教師 韓建 2016年7月14

2、日  東北石油大學課程設計任務書 課程 電子線路綜合課程設計 題目 有源濾波器設計 專業(yè) 電子信息工程14-3 姓名 陳忠昕 學號 8 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等 主要內(nèi)容： 利用運算放大器組成有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 基本要求： 1. 通頻帶自定義； 2. 測量設計的有源濾波器的幅頻特性； 3. 選用通用運算放大器，運放的開環(huán)增益應在80dB以上； 4. 采用Multisim軟件進行仿真，驗證和完善設計方案； 5. 按要求完成課程設計報告，交激光打印報告和電子文檔。

3、 主要參考資料： [1] 童詩白. 模擬電子技術基礎(第四版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006. [2] 陳明義. 電子技術課程設計實用教程(第3版) [M]. 長沙：中南大學出版社，2010. [3] 程春雨. 模擬電子技術實驗與課程設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2016. 完成期限 2016年7月14日 指導教師 專業(yè)負責人 2016 年 7 月 5 日  1、 任務技術指標 1. 二階壓控型有源低通濾波器（LPF） 設計一個二階壓控型有源低通濾波器，要求特征頻率

4、f0=100kHz，Q=1； 2. 二階壓控型有源高通濾波器（HPF） 設計一個二階壓控型有源高通濾波器，要求特征頻率f0=100Hz，Q=1； 3. 二階壓控型有源帶通濾波器（BPF） 設計一個二階壓控型有源帶通濾波器，要求中心頻率為f0=5KHz，Q=2； 4. 二階壓控型有源帶阻濾波器 設計一個二階壓控型有源帶阻濾波器，要求中心頻率為f0=100Hz，Q=2； 2、 總體設計思想 設計濾波電路實現(xiàn)，讓指定頻段的信號能比較順利地通過，而對其他頻段信號起衰減作用。如低通濾波電路能使低頻信號順利通過，而使高頻信號受到抑制。常見的無源濾波有RC濾波，但RC濾波電路中的電阻會消耗信

5、號能量，所以我們用放大電路和RC網(wǎng)絡組成有源濾波電路，以提高濾波性能。 1. 二階壓控型有源低通濾波器（LPF） 電將簡單二階有源低通濾波電路中C1的接地端改接到集成運放的輸出端，形成反饋。如圖1所示，對于反饋信號而言，電容C1具有超前作用，而電容C2=具有滯后作用。因此只要參數(shù)合適，可使該電路在f0附近的反饋極性為正，又不致造成自激振蕩，從而使f0附近的電壓放大倍數(shù)得到提高。當f<>f0時信號被C2衰減，輸出電壓的幅值小，反饋信號弱，對電壓放大倍數(shù)影響也不大。 1) 通帶電壓放大倍數(shù) 通帶電壓放大倍數(shù)是f=0時輸出電

6、壓與輸入電壓之比。而對于直流信號而言，電路中的電容相當于開路，因此通帶電壓放大倍數(shù)（I）； 2) 傳遞函數(shù) 集成運放同相輸入端的對地電壓與輸出電壓的關系是（II），U+(S)與M點的電位關系是（III）， 由節(jié)點電流法可得（IV）, 將（I）（II）（III）式聯(lián)立求解， 可以得到傳遞函數(shù)（V）。 該式表明此電路的通帶電壓放大倍數(shù)應該小于3，否則Au(S)將有極點處于右半s平面或虛軸上，電路不能穩(wěn)定工作。若希望Aup>3，可采用二階無限增益多路反饋LPF。 3) 頻率特性 將傳遞函數(shù)中的s換成jω，并令，則有。當f=f0時可化簡為（VI）。 2. 二階壓控型有源高通濾波器（H

7、PF） 有源高通濾波器與有源低通濾波器成對偶關系，如圖2所示 幅頻特性曲線、傳遞函數(shù)與LPF成對偶關系。若HPF和LPF的通帶截止頻率相同，那么HPF和LPF的幅頻特性以垂直線f=fp為對稱，二者隨頻率的變化是相反的，HPF的|Au|隨頻率升高而增大。將LPF傳遞函數(shù)中的s換成，調(diào)整一下系數(shù)，則變成了相應的HPF的傳遞函數(shù)。所以，可以得到 1) 通帶電壓放大倍數(shù) 當頻率足夠高時，電容C1和C2可視為短路，因此HPF的通帶電壓放大倍數(shù)為； 2) 傳遞函數(shù) 根據(jù)對偶關系，將LFP傳遞函數(shù)中的sCR換為，則得到HPF的傳遞函數(shù)， 整理得； 3) 頻率特性 將中的s換成jω，并令，則

8、有。 所以f<

9、0，通帶電壓放大倍數(shù)為。注意：BPF中，通帶電壓放大倍數(shù)不等于同相比例電路的電壓放大倍數(shù)。 3) 通帶截止頻率 將當中第一項分母的虛部系數(shù)的絕對值等于1時，，所以通帶截止頻率fp可根據(jù)下式導出： ，得到 4) 通帶寬度B、Q值和頻率特性 BPF的通帶寬度，那么可得，頻率特性 上面一段話表明，改變電阻Rf或R1可以改變通帶寬度而不影響中心頻率，Q值越大，BPF的通帶寬度越窄，選擇性越好。 4. 二階壓控型有源帶阻濾波器（BEF） 從幅頻特性可知，LPF和HPF相并聯(lián)可以構成BEF，但這樣并聯(lián)比較困難且元器件過多，于是我們常先將兩RC網(wǎng)絡（無源低通濾波和無源高通濾波）并聯(lián)構成無源帶

10、阻濾波器，然后將其與集成運放構成有源BEF，又被稱為雙T網(wǎng)絡。 1) 通帶電壓放大倍數(shù) 當頻率足夠高或等于0時，BEF的電壓放大倍數(shù)就是通帶電壓放大倍數(shù)，為； 2) 傳遞函數(shù) 根據(jù)a,b處的節(jié)點電流法可得 ，輸入端電流可視為零，所以輸入端電容和電阻中的電流相等，有， 又因為，將上述四個等式聯(lián)立求解可得該電路傳遞函數(shù)為。 3) 中心頻率 將傳遞函數(shù)中的s換成jω，并令，則可得 當f=f0時，Au的模最小，值等于零。 4) 通帶截止頻率及阻帶寬度 根據(jù)，解得兩截止頻率 得到阻帶寬度 3、 具體設計 1． 設計電路 1) 二階壓控型有源低通濾波電路設計 電路中，由

11、R和C確定特征頻率f0的值，而通帶電壓放大倍數(shù)Aup的值由R1和Rf確定。此外，電路還應滿足集成運放兩個輸入端外接電阻的對稱條件；要求特征頻率f0=100kHz，Q=1 。 先選擇C=10nF，則由可得R=159.16?，則取R=160?。已知通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2,聯(lián)立和公式，可以解得R1=Rf =640?。 于是根據(jù)以上參數(shù)在multisim上仿真電路，電路圖如圖6所示： 2) 二階壓控型有源高通濾波電路設計 先選擇C=10nF，則由可得R=.943?，則取R=159k?。已知Q=1，則通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2,聯(lián)立和公式，可以解得R1=Rf =636k?。于是根據(jù)以上參數(shù)在

12、multisim上仿真電路，電路圖如圖7所示： 3) 二階壓控型有源帶通濾波電路設計 要求中心頻率為5KHz，Q=2的帶通濾波器。先選擇C=100nF，則根據(jù)可得R=318.310?，取R=318?。再計算R1和Rf 的值，，代入，再聯(lián)立，則可選取，串聯(lián)一個R4=2R-(R1//Rf )=0.6?以滿足對稱條件以上參數(shù)在multisim上仿真電路，電路圖如圖8所示： 4) 二階壓控型有源帶阻濾波電路設計 抑制一定范圍的交流干擾，要求BEF的中心頻率為f0=100Hz，選C=10uF，則根據(jù)可得R=159.155?，取R=160?。再計算R1和Rf 的值，，代入，再聯(lián)立，則可選取。仿真如

13、圖9所示 2． 仿真及仿真結果分析 1) 二階壓控型有源低通濾波電路仿真及分析 由圖10可知，電路增益約為2，達到要求。 由圖11可知，當f=10Hz時，增益為6.1dB；當f=fH=66.343kHz時，增益達到最大增益8.298dB；當f=f0=100.103kHz時，增益為4.701dB；當f=fL=405.387kHz時，增益為-19.134dB。 2) 二階壓控型有源高通濾波電路仿真及分析 由圖12可知，電路增益約為2，達到要求。 由圖13可知，當f=f0=5.106kHz時，增益為4.619dB；當增益為0.7倍4.169dB時，有fH=264.46kHz

14、和fL=83.034Hz。 3) 二階壓控型有源帶通濾波電路設計 由圖14可知，電路增益約為2，達到要求。 由圖15可知，當f0=5kHz時，增益為7.377dB； 可知，fH≈6.4kHz時增益為7.683kHz；fL=3.9kHz時，增益為6.792kHz。 4) 二階壓控型有源帶阻濾波電路設計 由圖16可知，電路增益約為2，達到要求。 由圖17可知，當f0=100Hz時，增益為-31.894dB；當fH≈128Hz時增益為1.919dB；fL=78Hz時，增益為1.715dB。 4、 結論 濾波器是一種能夠使有用頻率信號通過，而同時抑制（或衰減）無用

15、頻率信號的電子電路或裝置，在工程上常用它來進行信號處理、數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。有源濾波器是由集成運放、R、C組成，其開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，但因受運算放大器頻率限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。本次設計主要是在所學《模擬電子技術基礎》、《數(shù)字電路基礎》等專業(yè)知識的基礎上研究和設計幾種典型的二階有源濾波電路：壓控型二階有源低通濾波電路、壓控型二階有源高通濾波電路、壓控型二階有源帶通濾波電路、壓控型二階有源帶阻濾波電路，研究和設計其電路結構、傳遞函數(shù)，并對有關參數(shù)進行計算，再利用multisim 軟件進行仿真，組裝和調(diào)試各種有源

16、濾波器，探究其幅頻特性。經(jīng)過仿真和調(diào)試，本次設計的二階有源濾波器各測量參數(shù)均與理論計算值相符，通頻帶的頻率響應曲線平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，衰減率可達到|-40Db/10oct|,濾波效果很理想。四種有源濾波電路之間可以相互轉換，將LPF中起濾波作用的RC對調(diào)即變?yōu)镠PF，將LPF和HPF串聯(lián)，調(diào)整參數(shù)即為BPF，將LPF和HPF并聯(lián)則可得到BEF。參考資料 [1] 童詩白. 模擬電子技術基礎(第四版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006. [2] 陳明義. 電子技術課程設計實用教程(第3版) [M]. 長沙：中南大學出版社，2010. [3] 程春雨. 模擬電子技

17、術實驗與課程設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2016. [4] 程勇.實例講解Multisim 10 電路仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010. [5] 龔晶、劉斌、陳軍.RC有源濾波器實驗與仿真研究[J].南京：解放軍理工大學理學院. 東北石油大學課程設計成績評價表 課程名稱 電子線路綜合課程設計 題目名稱 （學生填寫） 學生姓名 （學生填寫） 學號 （學生填寫） 指導教師姓名 （學生填寫） 職稱 （學生填寫） 序號 評價項目 指 標 滿分 評分 1 工作量、工作態(tài)度和出勤率 按期圓滿的完成了規(guī)定的任務，難易程度和工作量符合教學要求，工作努力，遵守紀律，出勤率高，工作作風嚴謹，善于與他人合作。 20 2 課程設計質(zhì)量 課程設計選題合理，計算過程簡練準確，分析問題思路清晰，結構嚴謹，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備正確。 45 3 創(chuàng)新 工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一些改進或有一定應用價值。 5 4 答辯 能正確回答指導教師所提出的問題。 30 總分 評語： 指導教師： 2016年 7 月 15 日 專心---專注---專業(yè)