基于运算放大器的工频信号陷波器设计multisim仿真

课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：仪器科学与工程系 学 号 学生姓名 专业（班级）设计题目 基于运算放大器的工频信号陷波器设计设计技术参数设计消除叠加在频率为 1kHz 以上的测试信号中所包含的 50Hz 工频信号及其高次谐波（最高 5 次）信号。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的 multisim 仿真；工作量1：完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果)2：提交一份电路原理图；工作计划第一周周一到周二，查阅资料；第一周周三到周五，理论设计；第二周周一到周三，计算机仿真；第二周周四到周五，撰写设计说明书并答辩；参考资料1：基于运算放大器和集成电路的电路设计2：模拟电子技术3：电路原理4：数字电子技术5：电子滤波器设计指导教师签字 基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2010 年 6 月 18 日 目 录第 1 章 摘要 .4第 2 章 引言 .4第 3 章 基于运算放大器的工频信号陷波器构建 .53.1理论分析 .53.2 参数计算 .83.3 电路组成 .9第 4 章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试 .114.1 multisim 各频率信号源仿真 .114.2 pspice仿真 .19第 5 章 结论 .20心得体会 .20参考文献 .204第 1 章 摘要本文介绍一种基于运算放大器的工频信号陷波器的设计与制作，简要地介绍了工频信号陷波器的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该陷波器的参数设计和制作过程，通过 multisim 和 pispice 的仿真与测试，记录和分析了该陷波器的工作特性与陷波性能，论证了该陷波器的可行性。该陷波器陷波性能良好，带宽较小，电路线路简单，易于实现，滤波性能方便调整，具有很大的实际应用价值。第 2 章 引言工频陷波器是阻带宽度较小的带阻滤波器，它的作用是阻止或滤掉信号中有害分量，达到减少对电路的影响。工频为一频率单一且固定的某一信号，工频通常和二次谐波及高次谐波同时出现。而有时工频是不需要的，甚至会给其他信号造成很大的干扰。工频陷波器就是为了很大程度地抑制或阻止该种所不需要工频信号，同时对其他频率的信号没有较大的抑制作用。本文所采用基于运算放大器的工频信号陷波器的一种设计方法是 DABP 带阻滤波器的方法。高性能的工频陷波器，它应能完全滤除工频和其高次谐波而不衰减其他谐波。要获得这样高的性能，需要 Q 值很高的滤波器，而且调谐必须非常准确，而 DABP 带阻滤波器的 Q 值达到 150，适合一般低频窄带滤波器设计。获得高性能的工频陷波器，采用 DABP 带阻滤波器来实现陷波可大大提高其性能指标。其实现陷波思路有：先利用 DABP 带阻滤波器设计每个所要求中心频率的陷波器，然后把各个滤波器串联形成类似于梳状陷波器的带阻滤波器。5工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。第 3 章 基于运算放大器的工频信号陷波器构建3.1 理论分析基于运算放大器的工频信号陷波器设计，用以消除叠加在频率为 1kHz 以上的测试信号中所包含的 50Hz 工频信号及其高次谐波（最高 5 次） ，即设计中心频率分别为50Hz、100Hz、150Hz 、200Hz、250Hz 的窄带陷波器。采用子电路的方法，首先分为设计中心频率分别为 50Hz、100Hz、150Hz 、200Hz、250Hz 的 5 个窄带陷波器。然后把 5个陷波器串联，以达到设计要求。最后利用放大单元实现单位增益输出。该窄带带阻滤波器分为六个独立的单元：1. 50Hz 窄带陷波器。2. 100Hz 窄带陷波器。3. 150Hz 窄带陷波器。4. 200Hz 窄带陷波器。5. 250Hz 窄带陷波器。6. 放大系数为 K 的放大单元。电路构建框图和最终电路图如图 3.1.1 图 3.1.2 所示5 0 H z 陷波器1 0 0 H z 陷波器2 0 0 H z 陷波器2 5 0 H z 陷波器1 5 0 H z 陷波器输入信号输出信号放大单元6图 3.1.1 基于运算放大器的工频信号陷波器构建框图R 1 0R 1 2RRC 4R 1 1RRC 4R 1 3R 1 5RRC 5R 1 4RRC 5R 1R 3 RRC 1R 2RRC 1I NR 4R 6 RRC 2R 5RRC 2R 7R 9 RRC 3R 8RRC 3R 1 7R 1 6V O图 3.1.2 基于运算放大器的工频信号陷波器电路图每个陷波器单元的设计可以独立进行，并满足指定中心频率和带宽要求，基于仅仅需要消除叠加在频率为 1kHz 以上的测试信号中所包含的 50Hz 工频信号及其高次谐波（最高 5 次） ，为了降低带宽，则需要选用高品质因数 Q 的电路，本设计选用 DABP 带阻电路（Q150） ，其电路如图 3.1.2 所示R 1R 3 RRCR 2RRCI NO U T7图 3.1.3 DABP 带阻电路DABP 带阻电路的转移函数：(1.1.1) 2321RCSHS令 可得，Sj(1.1.2) 23211RCHj j将上式化成标准形式 ,则ONjj(1.1.3)201()NHjjQ令对应系数相等，通过观察可得： 2ON令 ，可得2230()RC(1.1.4)0231CR123QR所以 DABP 带阻电路的设计方程为(1.1.5)12Rf231所以五个陷波器单元串联的转移函数： 22512223 5422()()1() 1()()1NHjjjQjjjQ8其中 ， ， ，123CR2561CR3891CR， ， ， ，4125145123Q4256，7389QR1042R1345R为了实现最后输出的单位增益，所以放大单元的放大倍数 ，即512K，因此基于运算放大器的工频信号陷波器的最终转移函数：161732NHjj2 222 23 51 4221()1()()()1()jjjjjQQQ3.2 参数计算1 当中心频率为 50Hz 时，Q 为最大值 150 时，取 ， ，根据式 1Cuf10Rk(1.1.5) 计算可得 , 。所以取 ，147.65Rk238.R47。238R2 当中心频率为 100Hz 时,Q 为最大值 150 时，取 ， 。根据式20.47Cuf10Rk(1.1.5)计算可得 , 。所以取 ，4507.9k5638R458。5638R3 当中心频率为 150Hz 时，Q 为最大值 150 时，取 ， ,根据式 31Cuf0Rk9(1.1.5) 计算可得 , .所以取 ，7159.Rk891063R7159Rk。8906R4 当中心频率为 200Hz 时，Q 为最大值 150 时，取 ， ,根据式4.Cuf0k(1.1.5)计算可得 , .所以 ，10253.97k1269318R159R。126R5 当中心频率为 250Hz 时，Q 为最大值 150 时，取 ， ,根据式50.47Cuf0k(1.1.5)计算可得 , .所以 ，130.7k1431R1359R。145R6 因为放大单元的放大系数 ，所以 ，所以令 ，52K16172162k。17k3.3 电路组成图 3.3.1、图 3.3.2 分别为工频信号有源陷波器 Pspice 仿真电路和 Multisim 真电路。10图 3.3.1 工频信号有源陷波器 Pspice 仿真电路图 1.3.2 工频信号有源陷波器 Multisim