模电课设滤波器详解.docx
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模电课设滤波器详解.docx
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模电课设滤波器详解
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
二阶有源滤波器电路设计
初始条件:
具备模拟电子电路的理论知识,
具备模拟电路基本电路的设计能力;
具备模拟电路的基本调试手段;
自选相关电子器件;可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务:
1、设计二阶低通滤波器,要求截止频率1KHZ
2、设计二阶高通滤波器,要求截止频率100HZ
3、设计二阶带通滤波器,要求中心频率1KHZ
4、通带电压放大倍数均为10,品质因素为0.707
5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书
6、设计电源
7、焊接:
采用实验板完成,不得使用面包板。
时间安排:
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
二阶有源滤波器电路设计
摘要
随着计算机技术的发展,模拟电子技术已经成为一门应用范围极广,具有较强实践性的技术基础课程。
电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革,为了培养学生的动手能力,更好的将理论与实践结合起来,以适应电子技术飞速的发展形势,我们必须通过对本次课程设计的理解,从而进一步提高我们的实际动手能力。
滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
现在我们通过对滤波器的原理以及结构的理解,设计出低通、高通、带通等多种形式的滤波器。
我们通过对电路的分析,参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。
在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。
按照设计的方案选择具体的元件,焊接出具体的实物,并在实验室对实物进行调试,观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。
最后分析出现误差的原因以及影响因素。
关键词:
滤波器设计与制作分析
1.方案选择与论证
1.1方案框图
RC有源滤波器主要由三部分组成:
RC网络、运算放大器和反馈网络,如图1所示。
图1RC有源滤波器设计框图
1.1.1RC网络
RC网络主要由电阻R和电容C元件构成,作为滤波器的选频网络,只允许输入信号中的某些频率成分通过,而阻止其他频率成分到达输出端。
主要构成形式为RC串联,RC并联及RC串并联。
在调节RC参数的过程时,可实现频率谐振,从而达到频率的选择作用。
1.1.2放大器
集成运算放大器的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又很低,构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
由于运算放大器可加电压串联负反馈,可在输入与输出之间进行很好的隔离。
这样可以通过级联的形式得到高阶的滤波器,可在滤波的同时实现信号放大。
但是,集成运算放大器的带宽有限,所以有源滤波器的最高工作频率受运算放大器的限制。
[4]
1.1.3反馈网络
在电子系统中,反馈是指把输出量(电压或电流)的全部或一部分按照一定的方式送回到输入回路,从而影响输入量(电压或电流)和输出量的过程。
本次设计主要采用负反馈。
1.2方案设计与论证
1.2.1方案设计
方案一:
有源一阶RC滤波器
在无源一阶RC滤波器后的输出端连接一个电压跟随器,可以构成有源一阶滤波器。
由于电压跟随器的输入阻抗很高,输出阻抗很低,电压跟随器的加入使RC低通滤波器与负载隔离,增强电路的带负载能力。
若无运算放大器隔离,则滤波器参数将受负载影响。
[1]
如果希望电路不仅有滤波功能,而且能起放大作用,则只要将电路中的电压跟随器改为同相比列放大电路即可。
下面以有源一阶RC低通滤波器为例说明。
图2一阶有源低通滤波器电路及其幅频响应
由电路计算可得该电路的传递函数为
(1)
由式
(1)可得如图2所示电路的幅频响应特性曲线,式中A0=AVF,ωH指增益下降3dB时的截止频率。
但该一阶滤波器频率特性并没有理想特性,即陡直下降。
一阶滤波器的缺点是:
从幅频特性来看,一阶滤波器的效果还不够好,它只有20dB/十倍频的衰减率,若要衰减率下降的更快,如40dB/十倍频、60dB/十倍频的斜率变化,则需采用二阶、三阶滤波器。
一阶滤波器电路最简单,但带外传输系数衰减慢,一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。
无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感,在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。
当要求带通滤波器的通带较宽时,可用低通滤波器和高通滤波器合成,这比单纯用带通滤波器要好。
方案二:
简单二阶有源滤波器
为了使输出电压在带外以更快的速率下降,以改善滤波效果,再加一阶RC滤波环节,构成有源二阶滤波电路,它比一阶滤波器的滤波效果更好。
图3单二阶低通滤波器
图3所示为简单二阶低通滤波器电路。
它由二阶RC滤波器和同相放大放大电路组成,其中同相放大电路实际上就是所谓的电压控制电压源,它的电压增益,就是低通滤波的通带电压增益,此时各电容器可视为开路,即
.电路的幅频特性曲线如图4所示。
图4二阶LPF的幅频特性曲线
由电路可求得有源二阶低通滤波器的传递函数为
在频率超过截止频率后,幅频特性以-40dB/十倍频的速率下降,比一阶下降得快。
方案三:
有源二阶压控型RC滤波器
以有源二阶压控型低通滤波器为例说明,图5为其电路图。
图5有源二阶压控型低通滤波器
其中的一个电容器C2在方案二中是接地的,现在改接到输出端,形成集成运算放大器的正反馈。
对于这个反馈,左边的电容C2使相位超前,右边的电容C1使相位滞后。
只要参数选得合适,可使整个电路在f0附近既带有正反馈而又不造成自激震荡。
这样,就可使滤波器在f=f0附近的电压增益提高,使f=f0附近的对数幅频特性接近理想水平。
该电路的传递函数为
图6为有源二阶压控型低通滤波电路幅频响应特性曲线。
图6有源二阶压控型低通滤波电路幅频响应特性曲线
1.2.2方案选择
滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。
一个理想的滤波器应在要求的频(通内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则具有无穷大的衰减。
然而实际的滤波器距此有一定的差异,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。
用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。
因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。
三种方案中,一阶滤波器滤波效果不够好,衰减率下降不够快;简单二阶滤波器在通带截止频率之间下降还不够快,为了加快滤波器在通带截止频率之间幅频特性下降速率,故而选择方案三中的有源二阶压控型RC滤波器。
1.2.3元器件选择
本次使用普通的LM324。
管脚图以及内部结构如图7所示。
一般从选定电容器入手,因为电容标称值的分档较少,电容难配,而电阻易配,可根据工作频率范围按照图8初选电容值。
具体电阻、电容的选择根据计算结果参见图9
图7LM324管脚图及其内部结构图
图8工作频率范围选定电容值
图9电容电阻选择
2.单元电路设计与元件参数计算
2.1传递函数
在有源滤波器中,除集成运算放大器外,常包含复杂的无源网络,它是RC元件的组合。
在分析时可通过“拉普拉斯变换”将电流和电压变换成“象函数”,同时引入运算阻抗代替无源元件RC,求解有源滤波器的传递函数。
在此我们关心频率,输入信号可以分解成若干频率信号;输出信号可以分解成若干频率信号。
图10为二阶RC滤波器的传输函数表。
图10为二阶RC滤波器的传输函数表
类型
传输函数
性能参数
低通
——电压增益
——低、高通滤波器的截止角频率
——带通滤波器的中心角频率
BW——带通滤波器的带宽
高通
带通
2.2低通滤波器[1]
图11低通滤波器
二阶低通滤波器的通带增益
截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率
品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状
低通滤波器的截止频率为1kHz,根据图9可知电容容值应选0.1uF,0.2uF。
又因为
Auo=1+R4/R3,Wc=2πfc
Wc/Q=1/R1C1+1/R2C1+(1-Auo)/R2C2
为使电路稳定,又有R1+R2=R3//R4
将fc=1KHZAv=10Q=0.707带入计算
R1=462Ω,R2=2.742KΩ,R3=3.56KΩ,R4=32KΩ
剩余两种滤波器的元件参数计算均可类似得到,在此不再赘述。
2.3高通滤波器[2]
图12高通滤波器
二阶高通滤波器的通带增益
截止频率,它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率
品质因数,它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状
2.4带通滤波器[2]
图13带通滤波器
图中R1和C组成低通网络,C和R2组成高通网络,两者串联就组成了带通滤波电路。
为了计算方便,取R3=R,R2=2R,则由电路可计算出以下电路参数。
通带增益
,其中
中心频率
选择性
3.电路仿真分析
3.1低通滤波器
图14为低通滤波器的电路图。
图14低通滤波器
图15低通滤波器截止频率仿真
由图15可知该电路的增益约为20dB,即满足放大倍数为10。
增益下降3dB时,f约等于1kHz,即该低通滤波器的截止频率为1kHz,品质因素为0.707。
3.2高通滤波器
图16为高通滤波器的电路图。
图16高通滤波器
图17高通滤波器截止频率仿真
由图17可知该电路的增益约为20dB,即放大倍数为20。
增益下降3dB时,f约为100Hz,即该高通滤波器的截止频率为100Hz,品质因素为0.707。
但是频率较高时也出现了截止的现象,可能原因是受到了运放的带宽限制。
3.3带通滤波器
图18为带通滤波器的电路图。
图18带通滤波器
图19带通滤波器中心频率仿真
由图19可知,该带通滤波器的中心频率约为1KHZ。
4.直流稳压电源设计与实物焊接
直流稳压电源分为四个部分:
电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路。
变压电路的作用是将220V的交流电变换成电路所需的低压交流电,用普通的电源变压器即可实现变压的目的。
整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电,利用半波整流或桥式全波整流电路均可以实现整流的目的。
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分,增加直流成分。
稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。
参考模电书309页基本电路可设计如图20的直流稳压电源电路
图20直流稳压电源电路
实物焊接:
由于实际电阻并不能取到电路设计中的理想电阻值,故而选用电阻尽量逼近电路设计中的理想电阻值。
根据设计的电路图在万用板上排版好元件,然后在焊盘上焊好各元件引脚,减去多余冗长的引脚线后,对整体电路走线进行一次大体布局后,再进行走线,完成电路的连接,电路板焊接完成。
实物图如下。
图21电路板正面图
图22电路板背面图
5.总结
通过本次课设,让我学到了很多,同时也认识到了自己不足的地方。
(1)对滤波器的原理应用及简单设计有了一定的理解与掌握;
(2)对Multisim仿真软件有了进一步的认识,提升了自己对该软件的使用能力;
(3)对电路的焊接,及元器件的选择与购买积累了不少经验,为以后的课程学习打下了基础;
(4)对一个作品由构思,到查找资料,到设计与仿真,到实物制作与测试,到报告的整理与完成,这样一个系统流程有了一定了解,积累了作品的制作经验;
(5)报告的整理和书写还不熟练,花费时间很多,需要提高报告的书写能力;
(6)对理论知识的掌握还不够透彻,基础并不牢固,设计电路并不完美,需要加强对理论知识的学习。
附录一参考文献
[1]吴友宇《模拟电子技术基础》清华大学出版社2009
[2]康华光《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社2007
[3]谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社2006
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