二階RC有源低通,高通,帶阻濾波器的設計.doc

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1、 電子技術課程設計報告 （二階RC有源濾波器的設計） 目 錄 第一章 設計任務與要求……………………………………………………………3 1.1 設計任務……………………………………………………………………3 1.2 設計要求……………………………………………………………………3 第二章 設計方案……………………………………………………………………3 2.1 總方案設計…………………………………………………………………3 2.1.1 方案框圖……………………………………………………………3

2、 2.1.2 子框圖的作用………………………………………………………3 2.1.3 方案選擇……………………………………………………………4 第三章 設計原理與電路……………………………………………………………6 3.1 單元電路的設計……………………………………………………………6 3.1.1 原理圖設計…………………………………………………………6 3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)……………………………………8 3.2 元件參數(shù)的計算……………………………………………………………10 3.2.1 二階低通

3、濾波器……………………………………………………10 3.2.2 二階高通濾波器……………………………………………………10 3.2.3 二階帶通濾波器……………………………………………………10 3.2.4 二階帶阻濾波器……………………………………………………11 3.2 元器件選擇…………………………………………………………………11 3.3 工作原理……………………………………………………………………12 第四章 電路的組裝與調試…………………………………………………………12 4.1 MultiSim電路圖………

4、……………………………………………………13 4.2 MultiSim仿真分析…………………………………………………………15 第五章 設計總結……………………………………………………………………19 附 錄…………………………………………………………………………………20 附錄Ⅰ 元件清單…………………………………………………………………20 附錄Ⅱ Protel原理圖 …………………………………………………………20 附錄Ⅲ PCB圖（正面）…………………………………………………………21 附錄Ⅳ PCB圖（反面）…………………………………………………………22

5、 參 考 文 獻…………………………………………………………………………23 第一章 設計任務與要求 1.1 設計任務 1、學習RC有源濾波器的設計方法； 2、由濾波器設計指標計算電路元件參數(shù)； 3、設計二階RC有源濾波器(低通、高通、帶通、帶阻)； 4、掌握有源濾波器的測試方法； 5、測量有源濾波器的幅頻特性。 1.2 設計要求 1、分別設計二階RC低通、高通、帶通、帶阻濾波器電路，計算電路元件參數(shù)，擬定測試方案和步驟； 2、在multisim里仿真電路，測量并調整靜態(tài)工作點； 3、測量技術指標參數(shù)； 4、測量有源濾波器的幅頻特性；

6、 5、寫出設計報告。 第二章 設計方案 2.1 總方案設計 2.1.1方案框圖 RC網絡 反饋網絡 放大器 圖2.1.1 RC有源濾波總框圖 2.1.2子框圖的作用 1 RC網絡的作用 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。 2 放大器的作用 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。 3

7、反饋網絡的作用 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。 2.1.3方案選擇 濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)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(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。 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

8、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(lián)來得到高階濾波器且調諧也很方便。 濾波器的設計任務是根據(jù)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(shù)。阻帶指標為帶外傳輸系數(shù)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。 1. 關于濾波器類型的選擇 一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)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

9、濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，在這點上它不如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 2. 級數(shù)選擇 濾波器的級數(shù)主要根據(jù)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每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(shù)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(shù)n應滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。 3. 運放的要求 在無特殊要求的情況下，

10、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80dB 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(shù)。 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。 4. 元器件的選擇 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(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設計時經常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)

11、目多于限制元件取值的參數(shù)之數(shù)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(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。 表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應關系 f (1~10)Hz （10~102）Hz （102~103）Hz （1~10）KHz （10~103）KHz （102~103）KHz C (20~10)F （10~0.1）uF （0.1~0.01）uF （104~103）pF （103~102）pF （102~10）pF

12、第三章 設計原理與電路 3.1 單元電路的設計 3.1.1 原理圖設計 1. 低通濾波器 低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。 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。 圖3.1.1.1（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。 圖3.1.1.1 二階低通濾波器 2. 高通濾波器 高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。 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

13、，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。 圖3.1.1.2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。 圖3.1.1.2 二階高通濾波器 3. 帶通濾波器 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。 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。 圖3.1.1.3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。 圖3.1.1.3 二階帶通濾波

14、器 4. 帶阻濾波器 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），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。 典型的帶通濾波器可以在雙T網絡后加一級同相比例運算電路構成。如圖3.1.1.4（a）所示。 圖3.1.1.4（b）為二階帶阻濾波器的幅頻特性曲線。 圖3.1.1.4 二階帶阻濾波器 3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù) 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(jù)頻

15、率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，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(xiàn)的，只能用實際特性去逼近理想的，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。 1. 濾波器的傳輸函數(shù) 表3.1.2.1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表 類型 傳輸函數(shù) 性能參數(shù) 低通 ——電壓增益 ——低、高通濾波器的截止角頻率 ——帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率 BW——帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通 帶通 帶阻 2

16、. 單元電路性能參數(shù) （1） 低通濾波器 　 二階低通濾波器的通帶增益 　 截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。 （2） 高通濾波器 　 二階高通濾波器的通帶增益 　 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。 （3）帶通濾波器 通帶增益 　中心頻率 　 　　通帶寬度 　 　選擇性 　　 （4）帶阻濾波器

17、通帶增益 　 中心頻率 帶阻寬度 　B＝2（2－Aup）f0 選擇性　 3.2 元件參數(shù)的計算 3.2.1 二階低通濾波器 二階低通濾波器性能參數(shù)表達式為 ωC2＝１/（CC1RR1） (3.2.1.1) Q=0.707 ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (3.2.1.2) AV=1+R4/R3 (3.2.1.3) 3.2.2 二階高通濾波器 二階高通濾波器性能參數(shù)表達式為 ωC2＝１/（CC1RR1） (3.2.2.1) Q=0.707 ωC /Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV

18、)/R2C1 (3.2.2.2) AV=1+R4/R3 (3.2.2.3) 3.2.3 二階帶通濾波器 二階帶通濾波器性能參數(shù)表達式為 ωC2＝(1/R1+1/R3)/R2C2 (3.2.3.1) Q=ω0/BW (3.2.3.2) AV=1+R4/R5(AV≤2) (3.2.3.3) 3.2.4 二階帶阻濾波器 二階帶通濾波器性能參數(shù)表達式為 1/R3=1/R1+1/R2 (3.2.4.1) ω02=1/R1R2C2 (3.2.4.2) AV=1 3.2 元器件選擇 電阻的選擇

19、 根據(jù)參數(shù)計算得的結果和市場上所出售的請況而選擇，見附錄清單。 電容的選擇 根據(jù)電阻的確定和規(guī)定的截止頻率而選擇，見附錄清單。 運放的選擇 本電路選擇了八管腳的UA741單運放。 其管腳圖如下， 圖3.2.1 Ua741管腳圖 圖3.2.2 uA741 內部原理圖 3.3 工作原理 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、

20、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），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。 第四章 電路的組裝與調試 MultiSim軟件介紹 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(shù)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。它提供了仿真實驗和電路分析兩

21、種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛筒糠謴婋婋娐返姆抡?、分析和設計。 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。 應用Multisim，便于實現(xiàn)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。 4.1

22、 MultiSim電路圖 1. 二階低通濾波器 圖4.1.1二階低通濾波電路 2. 二階高通濾波器 圖4.1.2二階高通濾波電路 3. 二階帶通濾波器 圖4.1.3二階帶通濾波電路 4. 二階帶阻濾波器 圖4.1.4二階帶阻濾波電路 5. 總濾波電路 4.2 MultiSim仿真分析 分析結果圖 1. 二階低通濾電路 圖4.2.1（a） 圖4.2.1（b） 2. 二階高通濾電路 圖4.2.2（a） 圖4.2.2（b） 3. 二階帶通濾電路 圖4.2.3（a）

23、 圖4.2.3（b） 4. 二階帶阻濾電路 圖4.2.4（a） 圖4.2.4（b） 第五章 設計總結 本次課程設計由于是個人獨立選定課題，所以在此過程的開始時基本上所有人都在自己獨立思考，同時又由于設計所采用的仿真和制板軟件Multisim和Altium Designer在此之前基本不是很熟悉，因此本次課程設計的前期多半是在摸索中前進，當然付出中會有收獲，本次課程設計讓我弄懂了很多以前感覺模糊的東西，同時也帶給我成功的喜悅感，增加了我的自信心，當我看到由我自己設計的東西由想法變成實物時，我的心里充滿了成功的喜悅感?；叵肫鸫舜握n程設計過程中經歷的種種困

24、難，遇到不明白的問題時，與他人討論，請教老師的過程，所有的努力都指向一個明確的目標----確保課程設計的成功，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楊蜀秦和龍燕老師，同時也感謝班級的其他同學，正式由于和他們一起的努力使我成功完成了本次課程設計。 附 錄 附錄Ⅰ 元件清單 附錄Ⅱ Protel原理圖 附錄Ⅲ PCB圖（正面） 附錄Ⅳ PCB圖（反面） 參考文獻 [1] 彭介華.電子技術課程設計指導.北京：高等教育出版社，1997. [2] 謝自美.電子線路設計實驗測試.3版.武漢：華中科技大學出版社，2006. [3] 童詩白、華成英.模擬電子技術基礎.4版.北京：高等教育出版社，2006. [4] 陸秀令、韓清濤.模擬電子技術.北京：北京大學出版社，2007. 23