带通滤波器设计--模拟电子技术课程设计报告.docVIP

模拟电子技术课程设计报告带通滤波器设计班级：自动化1202姓名：杨益伟学号：120900321日期：2014年7月2日信息科学与技术学院目录第一章 设计任务及要求1、1设计概述-31、2设计任务及要求-3第二章 总体电路设计方案2、1设计思想-42、2各功能的组成-52、3总体工作过程及方案框图-5第三章 单元电路设计与分析3、1各单元电路的选择-63、2单元电路软件仿真-8第四章 总体电路工作原理图及电路仿真结果4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定-94、2总体电路软件仿真-11第五章 电路的组构与调试5、1使用的主要仪器、仪表-125、2测试的数据与波形-125、3组装与调试-145、4调试出现的故障及解决方法-14第六章 设计电路的特点及改进方向6、1设计电路的特点及改进方向-14第七章 电路元件参数列表7、1 电路元件一览表-15第八章 结束语 8、1 对设计题目的结论性意见及改进的意向说明-168、2 总结设计的收获与体会-16附图(电路仿真总图、电路图)参考文献第一章 设计任务及要求1、1设计概述： 带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过、其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。在滤波器中，信号能够通过的范围称为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带，通带和阻带之间的界限称为截止频率，由于元件固有特效的限制，通带和阻带之间存在过渡带。带通滤波器的实际设计过程中，主要参数包括中心频率f0、频率带宽BW、上限截止频率fh和下限截止频率fl。其中，通带越窄，其选频特性越好。1、2设计任务及要求：（1）设计任务：本实验将高通滤波器与低通滤波器串联来实现一个带通滤波器，通过多级反馈，减少干扰信号对滤波器的影响。为了检测滤波电路的选频特性，设计一个带宽检测电路，通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。（2）设计要求：性能指标要求1、 输入信号：有效值为1V的电压信号。2、 输出信号中心频率f0通过开关切换，分别为500hz、1khz、5khz、10khz，误差为10%。3、 带通滤波器带宽BWf2的信号被滤掉；然后，再通过高通滤波器，ff1的信号又被滤掉。最后，只有频率在f1和f2之间的信号才能通过电路，从而实现了“带通滤波”的要求。高通低通 Ui U0 方案二：Ui经过高通滤波器和低通滤波器后便得到带通信号U2，U2再经过一个低通滤波器可得到低通U3。再对原信号引入两个反馈，带通信号U2正反馈以及输出端U3引入的负反馈。这样，输出U2即为改良后的带通信号，便到达了设计目标。 -+Ui（全通）低通U1（高通）反馈通路 低通高通U2（带通）对比分析方案一需要注意一个问题，组成带通滤波器时，低通滤波器的通带截止频率f2必须大于高通滤波器的通带截止频率f1。否则，如果f2U2时，二极管发光，二者相等时，灯闪烁，U2Ui时，灯不亮。2、3总体工作过程及方案框图总体工作过程：当以U2为输出端时，主体电路相当于一个带通滤波器电路，原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui,U2通过比较器进行比较，集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。Ui接比较器正端，U2接比较器负端。当UiU2时，二极管发光，二者相等时，灯闪烁，U2Ui时，灯不亮。低通-+反馈通路U1（高通）低通高通Ui（原信号）方案总体框图：U2（带通） 线性检波滤波电路比较显示电路线性检波滤波电路 第三章 单元电路设计与分析3、1各单元电路的选择低通滤波器 ：积分运算电路具有低通特性，上图是反相输入一阶低通滤波电路。现在分析其电路特性：因为，通常，在分析运算电路时均设集成运放为理想运放，因而其两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零，即具有“虚短路”和“虚断路”两个特点。所以，Up=Un=0；经过电阻R和电容C的电流相等。 得然后S用jw代入，得到：上限截止频率高通滤波器：线性检波电路：UnUiU0Ui当输入Ui为正时，经过反相器反相，Uo0，故D1不导通，D2导通，由于虚地点，Un=0，所以。综上所述，输入信号Ui经过绝对值电路后，输出Uo都为正值，且为输入的一半，即。3、2单元电路软件仿真低通滤波器幅频特性曲线：检波电路波形曲线：检波滤波电路曲线：第四章 总体电路工作原理图及电路仿真结果4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定总体电路工作原理图：上半部分为主体电路，下半部分的左右部分均为线性检波滤波电路，右下角为比较显示电路元件参数的确定：首先对主体电路进行分析按照原理框图的设计思想，具体电路布置如上。第一个运算放大器是反馈端，后面两个运算放大器电路构成两个低通滤波电路。输入为Ui，y1，y2，y3分别为高通，带通，低通输出。所以y2是此次课题设计的带通滤波器的输出端。由于课题设计带通滤波器的输出中心频率可变（用开关切换），即有500HZ，1KHz，5KHz，10KHz四种，因此反相一阶低通滤波电路的电容，电阻要适当取值。为保证带通滤波电路的输出中心频率的稳定，两个低通滤波电路的电容，电阻取值相同。我们研究的是带通滤波电路，因此要得到电压放大倍数，即U2/UI根据理想运算放大器的虚短，虚断特性可以得到： 设联立上式得传递函数：然后用jw代替s：中心频率从式中可以看出，当虚部为0时，即电压放大倍数为1，得到 又 ，化简得中心频率根据中心频率公式，分别算出500HZ，1KHz，5KHz，10KHzsi四种频率时的电阻值，（这里我们电容C取0.01uf）500HZ时，R1=31.82K1KHz时，R2=15.92K5KHz时，R2=3.182K10KHz时，R3=1.592K4、2总体电路软件仿真信号频率为中心频率时对U2进行波形仿真：带通滤波器的幅频特性曲线：UI、U2经过检波滤波电路变为直流量UI,U2第五章 电路的组构与调试5、1使用的主要仪器、仪表仪器用途函数信号发生器信号源直流稳压电源供电示波器观察波形交流毫伏表测量交流电压万用表测量电阻5、2测试的数据与波形测量数据：中心频率f0（KHz）R()C(uf)f上（Hz）f下（Hz）带宽BW（KHz）理论值0.531.83K0.013108100.511592K1.62K0.62K1.0053.183K8.10K3.09K5.01101.592K16.20K6.20K10.00实验值0.4732K3217700.451.04816K1.54K0.64K0.94.82.95K9.2K 3.4K5.89.521.49K18.1K6.4K 11.7K测量波形：以中心频率为500hz为例信号源频率为500hz时信号源频率为仿真下限频率306hz信号频率为仿真上限频率840hz5、3组装与调试确定好各元件参数后，获得自己需要的元器件，开始组装。调试过程：主体电路组装完成后，用函数信号发生器作为信号源，频率选择中心频率，观察U2波形与原信号波形是否反相，如反相则主体电路正常工作。线性检波滤波电路组装完成后，用函数信号发生器作为信号源，断开电容，看其输出端是否为全波，接上电解电容观察全波是否被滤成直流量，如果正常，则线性检波滤波电路工作正常比较显示电路，观察比较器两端电压变化时，灯是否能正常亮灭，如正常，则比较显示电路工作正常5、4调试出现的故障及解决方法故障一：U2波形出部分失真解决办法：经过仔细观察，发现一处接触不良，换下原来电阻后重新连接，波形恢复正常。故障二：信号源频率改变，LED指示灯仍一直长亮不灭解决办法：用示波器两通道分别观察比较器两端电压，发现比较器正端电压Ui高于负端U2能获得的最大电压。察觉到自己没有调节好滑动变阻器，将滑动变阻器转动，使输出电压为最大电压的0.707倍。调节完成后，进行功能调试，发现灯能随频率改变亮灭第六章 设计电路的特点及改进方向6、1设计电路的特点及改进方向设计电路的特点是通频带较理论值偏宽，前期由于没有拿到合适的电阻，一些电阻值只能粗略地近似，如3.18kohm，由于没有拿到小电阻，就直接用3kohm来接，导致完成后的误差略大。改进方向：使用多个电阻串联或并联来近似逼近理论电阻值 第七章 电路元件参数列表7、1 电路元件一览表电路元件数量用途20K电阻6个主体电路、线性检波滤波电路15K电阻2个主体电路、线性检波滤波电路9K电阻8个主体电路、线性检波滤波电路3K电阻2个主体电路1.5K电阻2个主体电路1K电阻6个主体电路、线性检波滤波电路470电阻1个比较显示电路0.01uf电容2个主体电路1mf电解电容2个线性检波滤波电路开关2个主体电路二极管4个线性检波滤波电路10K滑动变阻器1个线性检波滤波电路发光二极管1个比较显示电路LF353芯片3块主体电路、线性检波滤波电路、比较显示电路附：LF353芯片内部结构第八章 结束语8、1 对设计题目的结论性意见及改进的意向说明 设计的带通滤波器的下限频率为高通滤波器的截止频率，上限频率为低通滤波器的截止频率。带通滤波器，对通过的信号具有频率选择作用，它的整个频率通带内都能最大限度的让信号通过，而其阻带对通过的信号有衰减和抑制作用。8、2总结设计的收获与体会总结：1、做一个总体的大设计时，应该先想好需要哪些模块，实现哪些功能，如何来实现，布局也要尽可能合理。2、调试时应该分模块进行调试，确认每一模块功能正常后，方可整体进行调试。不然一但出现错误，不知道是哪一模块的问题。3、根据各模块的功能来合理选择器件，参数要尽可能逼近理论值，选用不当会导致误差过大体会：通过本次模电课程设计，加深了对各类仪表仪器功能、用法的