中频信号滤波放大整形电路的设计

一、概述 滤波器主要功能是对信号进行处理，保留信号中的有用成分，去除信号中的无用 成分。一般的当我们接收到一个信号的时候，它并不是可以被我们直接观察和分析的， 而而是只有在通过一定的电路使之进行放大、滤波、整形输出以后，才可以变成是让 我们可以进行分析和观察的处于稳定状态的信号。所以说对于一般的信号，必须经过 有整流电路、滤波电路、放大电路组成的功能模块以后才会变成是对人类观察研究有 益的信号。它能应用于生活、生产、工业、农业、军事科技、探测收索等众多方面。 基于此因，本次的课程设计是我在学习了模电、数电、硬件描述语言、信号与系统以 及 multism 软件等学科以后，综合所学的知识而设计的一种简单且可用于电路中对信 号进行放大、滤波、整形的可实用模块。本实验的设计方法是通过：信号的输入，信 号的滤波，信号的放大，信号的整形等步骤来实现的。其中信号的滤波和放大部分是 通过 FilterPro 软件得出，信号的整形部分是通过斯密特触发器进行整形完成的。本实 验报告七个模块组成其中包括，概述、方案论证、电路设计、性能的测试、结论、性 价比、以及个人体会及建议。本实验最终实现了设计初的目的，通过斯密特触发器将 输出的波形整形成方波。 二、方案论证 根据设计任务要求设计一个高通滤波电路，通带增益 Ao=25db，通带频率 fc=400kHz，通带增益纹波 Rp=1db，截止带频率 fs=200k Hz，截止带衰减-10dB。设 计思路：可采用压控电压源阶高通滤波电路，或无限增益多路反馈高通滤波电路。由 输出量与输入量之比为传递函数 即 Au(s)=Uo(s)/Ui(s)=1/(1+sRC) 1、方案一 采用压控电压源二阶高通滤波电路，由桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电 路提供所需的正负直流电源（5V） 。电路如图 1 所示. 2、方案二 采用无限增益多路反馈高通滤波电路，由桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计 电路提供所需的正负直流电源（5V） 。电路如图 2 所示。 2 R3 R4 C2 R1 ui C1 C2 uo ui C1 C3 uo R1 R2 R2 图 1 压控电压源二阶高通滤波器 图 2 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 3、方案论证： 两种方案相比较，第二种方案参数设计较第一种方案更为容易设计，并且第二种 方案的所用器材都很容易就能够买的到，而且第二种方案更容易做仿真实验。所以我 选择第二种方案。 电路设计 放大电路选用通带增益 Ao=25db，通带频率 fc=400kHz，通带增益纹波 Rp=1db，截止带频率 fs=200k Hz，截止带衰减-10dB。就可以完成系统对信号滤波放 大的要求。 高通滤波放大电路（图 3）： 图 3 其中左端为输入端，右端为输出端，输入的是模拟信号，输出的也是模拟信 号。输入信号为 800kHz 振幅为 100mVp 的正弦模拟信号，电阻误差 5%，电容误 差 20%。通过以上公式计算出电路图中元器件的数值，然后在 multisim 环境下仿 3 真，在截止频率为 200kHz 左右时，截止带衰减-10dB。计算公式： 该电路的传输函数为： 21323212 2)( RCCRssAu 2cuosQA 归一化的传输函数： )(2LuoLusQAs 其中： ,通带增益： scL31CAuo 截止角频率： cc fR2132 32321CQc 截止频率： 231Rfc 1. 斯密特触发器电路： 电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压；与双稳态触发 器和单稳态触发器不同，斯密特触发器属于“电平触发型”电路，不依赖于边沿陡峭 脉 冲。利用它在状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换 为边沿很陡的矩形脉冲信号。其设计电路图如下（图 4） 4 图 4 其中 THR 和 TRI 接信号的输出端，同时也是斯密特触发器的输入端，输入为模拟 信号，OUT 端口接输出端，输出的波是数字信号。 3.5V 直流电源设计： 由于要求的是给此电路供电因此需要将 5V 转换成-5V，电路如图 5，R18 电阻两 端电压大于 300MV 时，芯片会短路保护的，这也是选取 0.2 欧的原因，R17 和 R19 电 阻选择是根据公式来计算得到的，这样能保证输出电压为-5V 电压，C8 和 L2 是 LC 滤 波电路。输出电压： Uo=1.25（1+R19/R17）V 5 图 5 四、性能的测试 1. 放大电路测试（图 6） 图 6 6 800kHz 振幅为 100mVp 的正弦模拟信号，电阻误差 5%，电容误差 20%通过上述 放大电路后，其输出波特图如下： 观察波特图左下角的数据，说明放大器的设计是正确的。 示波器的输出波形如下： 其中正弦波为输入信号的波形，通道 A 是输入正弦波的波形，通道 B 是经过整形放大器输 出的波形。 2. 电路整体性能测试： 7 图 7 输出的波形为： 8 输出通道为通道 A 采用 5V 电源供电， 输出波形为理论的波形。与预期相符合。 8. 设计数据表 通带增益( db) 通带频率( kHz) 截止带频 （kHz） 增益纹波(db) 截止带衰减 (db) 25 400 200 1 -10 9. 总电路测试数据表 输入频率 （kHz） 800 900 1000 1100 1200 增益（db） 23.174 23.157 23.151 23.118 22.942 五、结论 从上面的仿真结果可以得出该高通滤波器可以将截至外的频率段滤掉。当输入的 频率小于截止频率时，输出的波形就不明显或者没有输出波形，根据滤波器的频率和 9 增益可以看出此滤波器达到了预期的设计要求。滤波器存在一些误差，这也是由于原 件的内部误差所决定的。 信 号 的 整 形 正 弦 信 号 的 输 入 信 号 的 输 出 显 示 信 号 的 滤 波 放 大 在通带内增益要求为 25db,在实际设计中的滤波器中增益却只达到了 17 到 18.8db,这些误差有多方面的原因造成，而最主要的原因在于元器件本身的误差，诸 如电阻电容的阻值选择所造成的误差，还有设计的电源模块供电产生的误差，其次呢 就是所选用的这种设计方法本身的缺陷。根据实验的滤波整形显示，最终输出了目的 的波形数据设计中用到了 multisim，作为一种电路的模拟仿真软件，能够很好的仿真 所设计电路的结果，对于设计电路有着很好的辅助作用。通过这次设计电路得到了很 好的掌握。要完成一个电路，需要经过一定的流程，包括：了解原理，通过指标计算 参数，仿真测试，测试和调试的过程，在这次的设计中得到了很好的学习。实际作出 来的电路测试会和理论电路产生一定的偏差。在设计之初通过计算得到的参数在实际 电路中只能作为参考，要完全能满足指标的要求，可相应的更改电路中的元件的值的 大小，通过不断的测试才能最终满足要求。 六、性价比 本实验设计的高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止 频率信号通过的滤波器。高通滤波器有综合滤波功能，它可以滤掉若干次高次谐波， 并可减少滤波回路数。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。其在 音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。本设计为分别使用压控电压源和 无限增益多路反馈两种方法设计二阶高通滤波器。二者电路都是基于芯片 LM324 设 计而成。将信号源接入电路板后，调整函数信号发生器的频率，通过观察示波器可以 看到信号放大了 5 倍。现在工厂对于谐波的治理,应用最多的仍然是高压无源滤波器, 高压无源滤波器有多种接线方式,其中单调谐滤波器及二阶高通滤波器使用最为广泛, 无源滤波器具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点, 七、课设体会及合理化建议 10 通过本次课程设计，我熟悉了电路设计的一些基本要求，并能够独立的完成一定 要求的电路设计任务。而且在原有的基础上加深了对所学知识的应用以及对电路软件 EWB 的熟悉。这是我此次设计中非常高兴的一件事。同时我发现了自己到现在为止还 存在很多的不足，知识还是相当的缺乏。此次设计让我对设计工作有了全新的认识 设计者必须有广泛的基础知识，缜密的思路以及认真地工作态度和坚定的毅力。通 过设计，发现自己的不足，找到了自己努力方向，改进方向。同时更让我认识到理论 和实践必须相结合，通过理论指导实践，在实践中理解理论。 同时借此机会，我想 对给予我大力帮助的老师说声：谢谢！是你给了我许多的指导和帮助，让我有了许多 的收获和感受。另外我建议仿真调换软件，这个仿真软件对 555 斯密特触发器仿真效 果不是很好，有时候仿真出来的波形失真或者不出波。 参考文献 1 阎石主编. 数字电子技术. M北京：高等教育出版社,2006 年 2 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. M北京：国防工业出版社，2005 年 3 童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社,2002 4 张建华.数字电子技术.北京：机械工业出版社,2004 5 陈汝全.电子技术常用器件应用手册北京：机械工业出版社,2005 6 毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社,2005 7 潘永雄.电子线路 CAD 实用教程.西安：西安电子科技大学出版社,2002 8 张亚华.电子电路计算机辅助分析和辅助设计.北京：航空工业出版社,2004 9 刘润华等编著.现代电子系统设计.M大庆：石油大学出版社，1998 年 10 黄智伟编著全国大学生电子设计竞赛电路设计M北京：北京航空航天大学 出版社，2006 年 11 孙余凯等编著.精选实用电子电路 260 例. M北京：电子工业出版社，2007 年 11 附录 I 总电路图（另起一页） 12 13 附录 II 元器件清单 序