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1、. 東 北 石 油 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 課 程 電子線路綜合課程設(shè)計(jì) 題 目 有源濾波器設(shè)計(jì) 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程14-3 學(xué)生** 陳忠昕 學(xué)生** 指導(dǎo)教師 韓建 2016年7月14日 東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程 電子線路綜合課程設(shè)計(jì) 題目

2、有源濾波器設(shè)計(jì) 專業(yè)電子信息工程14-3忠昕**8 主要容、根本要求、主要參考資料等 主要容： 利用運(yùn)算放大器組成有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 根本要求： 1.通頻帶自定義； 2.測(cè)量設(shè)計(jì)的有源濾波器的幅頻特性； 3.選用通用運(yùn)算放大器，運(yùn)放的開環(huán)增益應(yīng)在80dB以上； 4. 采用Multisim軟件進(jìn)展仿真，驗(yàn)證和完善設(shè)計(jì)方案； 5. 按要求完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，交激光打印報(bào)告和電子文檔。 主要參考資料： [1] 童詩白.模擬電子技術(shù)根底(第四版)[M].：高等教育，2006. [2] 明義.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程(第3版) [M].：中南大學(xué)，2010. [

3、3] 程春雨. 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].：電子工業(yè)，2016. 完成期限 2016年7月14日 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2016 年 7 月 5 日 一、 任務(wù)技術(shù)指標(biāo) 1. 二階壓控型有源低通濾波器〔LPF〕 設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控型有源低通濾波器，要求特征頻率f0=100kHz，Q=1； 2. 二階壓控型有源高通濾波器〔HPF〕 設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)一

4、個(gè)二階壓控型有源帶阻濾波器，要求中心頻率為f0=100Hz，Q=2； 二、 總體設(shè)計(jì)思想 設(shè)計(jì)濾波電路實(shí)現(xiàn)，讓指定頻段的信號(hào)能比擬順利地通過，而對(duì)其他頻段信號(hào)起衰減作用。如低通濾波電路能使低頻信號(hào)順利通過，而使高頻信號(hào)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(huì)消耗信號(hào)能量，所以我們用放大電路和RC網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)單二階有源低通濾波電路中C1的接地端改接到集成運(yùn)放的輸出端，形成反應(yīng)。如圖1所示，對(duì)于反應(yīng)信號(hào)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)適宜，可使該電路在f0附近的

5、反應(yīng)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(dāng)f<>f0時(shí)信號(hào)被C2衰減，輸出電壓的幅值小，反應(yīng)信號(hào)弱，對(duì)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(shí)輸出電壓與輸入電壓之比。而對(duì)于直流信號(hào)而言，電路中的電容相當(dāng)于開路，因此通帶電壓放大倍數(shù)〔I〕； 2) 傳遞函數(shù) 集成運(yùn)放同相輸入端的對(duì)地電壓與輸出電壓的關(guān)系是〔II〕，U+(S)與M點(diǎn)的電位關(guān)系是〔III〕， 由節(jié)點(diǎn)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〕。

6、該式說明此電路的通帶電壓放大倍數(shù)應(yīng)該小于3，否則Au(S)將有極點(diǎn)處于右半s平面或虛軸上，電路不能穩(wěn)定工作。假設(shè)希望Aup>3，可采用二階無限增益多路反應(yīng)LPF。 3) 頻率特性 將傳遞函數(shù)中的s換成jω，并令，則有。當(dāng)f=f0時(shí)可化簡(jiǎn)為〔VI〕。 2. 二階壓控型有源高通濾波器〔HPF〕 有源高通濾波器與有源低通濾波器成對(duì)偶關(guān)系，如圖2所示 幅頻特性曲線、傳遞函數(shù)與LPF成對(duì)偶關(guān)系。假設(shè)HPF和LPF的通帶截止頻率一樣，則HPF和LPF的幅頻特性以垂直線f=fp為對(duì)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(yīng)

7、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(dāng)頻率足夠高時(shí)，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(duì)偶關(guān)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，則有。 所以f<

8、件較多。在二階LPF電路中，RC網(wǎng)絡(luò)是由兩節(jié)RC組成的，假設(shè)將其中一階RC電路改為高通接法，就構(gòu)成了二階BPF。 1) 傳遞函數(shù) ，且R2=2R=2R1則，其中， 2) 中心頻率和通帶電壓放大倍數(shù) 將傳遞函數(shù)中的s換成jω，并令，則可得 當(dāng)f=f0時(shí)，Au的模最大，此時(shí)有中心頻率f0，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(dāng)中第一項(xiàng)分母的虛部系數(shù)的絕對(duì)值等于1時(shí)，，所以通帶截止頻率fp可根據(jù)下式導(dǎo)出： ，得到 4) 通帶寬度B、Q值和頻率特性 BPF的通帶寬度，則可得，頻率特性 上面一段話說明，改變電

9、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(gòu)成BEF，但這樣并聯(lián)比擬困難且元器件過多，于是我們常先將兩RC網(wǎng)絡(luò)〔無源低通濾波和無源高通濾波〕并聯(lián)構(gòu)成無源帶阻濾波器，然后將其與集成運(yùn)放構(gòu)成有源BEF，又被稱為雙T網(wǎng)絡(luò)。 1) 通帶電壓放大倍數(shù) 當(dāng)頻率足夠高或等于0時(shí)，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(diǎn)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?yàn)椋瑢⑸鲜鏊膫€(gè)等式聯(lián)立求解

10、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(dāng)f=f0時(shí)，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 三、 具體設(shè)計(jì) 1． 設(shè)計(jì)電路 1) 二階壓控型有源低通濾波電路設(shè)計(jì) 電路中，由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(yīng)滿足集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻的對(duì)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?。通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2,聯(lián)立和公式，可以解得R1=Rf =640?。

11、 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(shè)計(jì) 先選擇C=10nF，則由可得R=159154.943?，則取R=159k?。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(shè)計(jì) 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(jì)算R1和Rf 的值，，代入，再聯(lián)立，則可選取，串聯(lián)一個(gè)R4=2R-(R1//Rf )=0.6?以滿足對(duì)

12、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(shè)計(jì) 抑制一定圍的交流干擾，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(jì)算R1和Rf 的值，，代入，再聯(lián)立，則可選取。仿真如圖9所示 2． 仿真及仿真結(jié)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，到達(dá)要求。 由圖11可知，當(dāng)f=10Hz時(shí)，增益為6.1dB；當(dāng)f=fH=66.343kHz時(shí)，增益到達(dá)最大增益8.298dB；當(dāng)f=f0=100.103kHz時(shí)，增益為4.701dB；當(dāng)f=f

13、L=405.387kHz時(shí)，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，到達(dá)要求。 由圖13可知，當(dāng)f=f0=5.106kHz時(shí)，增益為4.619dB；當(dāng)增益為0.7倍4.169dB時(shí)，有fH=264.46kHz和fL=83.034Hz。 3) 二階壓控型有源帶通濾波電路設(shè)計(jì) 由圖14可知，電路增益約為2，到達(dá)要求。 由圖15可知，當(dāng)f0=5kHz時(shí)，增益為7.377dB； 可知，fH≈6.4kHz時(shí)增益為7.683kHz；fL=3.9kHz時(shí)，增益為6.792kHz。 4) 二階壓控型有源帶阻濾波電路設(shè)計(jì) 由圖16可

14、知，電路增益約為2，到達(dá)要求。 由圖17可知，當(dāng)f0=100Hz時(shí)，增益為-31.894dB；當(dāng)fH≈128Hz時(shí)增益為1.919dB；fL=78Hz時(shí)，增益為1.715dB。 四、 結(jié)論 濾波器是一種能夠使有用頻率信號(hào)通過，而同時(shí)抑制〔或衰減〕無用頻率信號(hào)的電子電路或裝置，在工程上常用它來進(jìn)展信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。有源濾波器是由集成運(yùn)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(gòu)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(yùn)算放大器頻率限制，這種濾波器主要用于低頻圍。本次設(shè)計(jì)主要是在所學(xué)"模擬電子技術(shù)根底"、"數(shù)字電路根底"等專業(yè)知識(shí)的根底上研究和

15、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)其電路構(gòu)造、傳遞函數(shù)，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)展計(jì)算，再利用multisim 軟件進(jìn)展仿真，組裝和調(diào)試各種有源濾波器，探究其幅頻特性。經(jīng)過仿真和調(diào)試，本次設(shè)計(jì)的二階有源濾波器各測(cè)量參數(shù)均與理論計(jì)算值相符，通頻帶的頻率響應(yīng)曲線平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，衰減率可到達(dá)|-40Db/10oct|,濾波效果很理想。四種有源濾波電路之間可以相互轉(zhuǎn)換，將LPF中起濾波作用的RC對(duì)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HP

16、F并聯(lián)則可得到BEF。參考資料 [1] 童詩白.模擬電子技術(shù)根底(第四版)[M].：高等教育，2006. [2] 明義.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程(第3版) [M].：中南大學(xué)，2010. [3] 程春雨. 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].：電子工業(yè)，2016. [4] 程勇.實(shí)例講解Multisim 10 電路仿真[M].：人民郵電，2010. [5] 龔晶、斌、軍.RC有源濾波器實(shí)驗(yàn)與仿真研究[J].：解放軍理工大學(xué)理學(xué)院. 東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表 課程名稱 電子線路綜合課程設(shè)計(jì) 題目名稱 〔學(xué)生填寫〕 學(xué)生 〔學(xué)生填寫〕 ** 〔學(xué)生填寫〕 指導(dǎo)教師

17、 〔學(xué)生填寫〕 職稱 〔學(xué)生填寫〕 序號(hào) 評(píng)價(jià)工程 指 標(biāo) 總分值 評(píng)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(wù)，難易程度和工作量符合教學(xué)要求，工作努力，遵守紀(jì)律，出勤率高，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，善于與他人合作。 20 2 課程設(shè)計(jì)質(zhì)量 課程設(shè)計(jì)選題合理，計(jì)算過程簡(jiǎn)練準(zhǔn)確，分析問題思路清晰，構(gòu)造嚴(yán)謹(jǐn)，文理通順，撰寫規(guī)，圖表完備正確。 45 3 創(chuàng)新 工作中有創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)前人工作有一些改良或有一定應(yīng)用價(jià)值。 5 4 辯論 能正確答復(fù)指導(dǎo)教師所提出的問題。 30 總分 評(píng)語： 指導(dǎo)教師： 2016年 7 月 15 日 . >