信号与线性系统课程设计报告-有源滤波器设计与分析.doc

信号与线性系统课程设计报告 有源滤波器设计与分析 源滤波器设计与分析摘要：实验主要研究采用运算放大器，分别设计参数可调的源低通、高通、带通、全通滤波器的设计，并使用multisim软件仿真和焊接电路板进行实际电路测试，并与仿真结果比较分析。掌握滤波器的设计原理，通过仿真分析各种滤波器的频率响应和时域响应，改变不同的电路参数来观察滤波器的性能，分析比较设计出优化滤波器。在实验过程中锻炼学生的分析解决问题的能力和动手操作能力，达到理论与实践相结合的目的，并相应地了解滤波器在实际生活中的应用，将所学的内容运用到实际中。关键词：滤波器，截止频率，仿真，电路测试1课程设计的目的、意义本课题研究有源低通、高通、带通、全通滤波器的设计，并通过仿真和实际电路测试，分析各种滤波器的频率响应和时域响应。通过本课题的设计，主要达到以下几个目的、意义：1.掌握有源滤波器的基本原理及设计方法。2.深入理解信号频谱和信号滤波的概念，理解滤波器幅频响应和相频响应对信号的影响，了解不同类型滤波器时域响应的特点。3.掌握模拟滤波器频域响应的测试方法。4.掌握利用Multisim软件进行模拟滤波器设计及仿真的方法。5.了解有源滤波器硬件电路的设计、制作、调试过程及步骤。6.掌握新一代信号与系统硬件实验平台及虚拟示波器、虚拟信号发生器的操作使用方法。7.培养运用所学知识分析和解决实际问题的能力。2 课程设计任务本课题的任务包括有源滤波器电路设计、电路（系统）仿真分析、电路板焊接、电路调试与测试、仿真和测试结果分析等内容，主要工作有：1. 采用运算放大器，分别设计参数可调的有源低通、带通、高通、全通滤波器，并用Multisim软件进行仿真验证，并测试其时域和频率响应。2. 列出所设计各滤波器的系统函数，用Matlab软件分析其频率响应、时域响应，并与Multisim电路仿真的结果进行比较分析。3. 在Multisim仿真软件中，给各滤波器分别输入适当的信号，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响。4. 根据所设计的滤波器元件参数，在PCB板上完成各有源滤波器电路的焊接。5. 利用新开发的信号与系统实验平台，对焊接好的电路进行调试，确保其工作正常。6. 采用适当的方法，调整相关元件参数，测试各滤波器的时域响应和频率响应，与相关仿真分析结果进行比较，并分析误差产生的原因。7. 将适当信号输入滤波器，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响，并与仿真结果进行比较，分析其差异产生的原因。3.课程设计要求利用运算放大器，设计二阶压控电压源型（VCVS）有源低通、高通、带通、全通滤波器，滤波器原型电路参见参考文献。滤波器主要技术指标要求：截止频率在10020kHz范围内连续可调（用两个可调电阻实现）；滤波器通带增益设计为约等于2；其余指标自定。4. 设计方案及论证（设计原理、电路设计、滤波器参数设计等） 仿真调试步骤、结果及分析 电路制作调试步骤、调试结果1.二阶有源低通滤波器1.1设计原理图参数计算其中可调电阻Ra1,Rb1的选择，参考公式 =*2、=*2其中、分别是极点坐标的实部和虚部，C=0.01uF，、通过查表得知为=0.6104、=0.7106选取=1000Hz，计算得Ra1=13.037K,Rb1=22.141K， 图1-1低通原理图1.2仿真测试图 图1-2 幅度特性图1通过图 1-2 可知通带截止频率=777Hz，阻带截止频率=700KHz 图1-3 幅度特性图2由图1-3知=1012Hz，与计算结果符合 图1-4 相位特性图 图1-5低通滤波器滤波图通过图1-5知方波由很多正弦分量组成，通过低通滤波器，可以滤出部分分量，得到能量最大正弦波 图1-6 冲激响应图 图1-7 阶跃响应图硬件电路测试图： 图1-8冲激响应图 图1-9阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合1.3改变参数测试1.3.1 改变Ra1、Rb1的阻值选取Ra1=10K、Rb1=1.7K 图1-10 幅度特性图通过图 1-10 可知通带截止频率=3.722khz，阻带截止频率=1.535MHz 图1-11冲激响应图 图1-12阶跃响应图硬件电路测试图： 图1-13冲激响应图 图1-14阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合1.3.2 改变Ra1、Rb1的阻值选取Ra1=33K、Rb1=33K 图1-15 幅度特性图通过图1-15可知通带截止频率=525.149hz，阻带截止频率=756,544kHz 图1-16冲激响应图观察阶跃响应 图1-17阶跃响应图硬件电路测试图： 图1-18冲激响应图 图1-17阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合1.4 matlab测试系统函数公式对=2，= 1kHz，Ra1=13.037K,Rb1=22.141KMatlab程序R1=13.037;R2=22.241;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=0,0,2/(R1*R2*c2*c1);a=1,1/(R1*c1)+1/(R2*c1)-1/(R2*c2),1/(R1*R2*c2*c1);y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title(阶跃响应)figure(2)plot(y2)title(冲激响应)figure(3)bode(b,a) 图1-18低通滤波器冲激响应 图1-19低通滤波器阶跃响应 图1-20低通滤波器幅频与相频响应与仿真结果符合2.二阶有源高通滤波器2.1设计原理图参数计算 C=0.01uF，、通过查表得知为=、=1由原理图可知k=1，=2选取=10KHz，计算得R3=1821 R4=1391 图2-1高通滤波器原理图 2.2仿真测试图频域仿真图 图2-2幅度特性图1通过图2-2可知通带截止频率=13.189KHz 图2-3幅度特性图2由图 2-3知=10KHz，与计算结果符合 图2-4相位特性图 图 图2-5 高通滤波器时域图1 图2-6 高通滤波器时域图2 图2-7 高通滤波器时域图3通过这三张图可知高通滤波器的性能并不是很高，通带截止频率13.189KHz，当输入1KHz时基本滤除，但当输入5KHz的时仍然有部分分量通过，没有滤干净，当输入20KHz的时，可以看到有相位的变化。 图2-8 冲激响应图硬件电路测试 图2-9 阶跃响应图硬件电路测试 图2-10 高通滤波器时域图 图2-11 冲激响应图 图2-12 阶跃响应图与仿真结果符合2.3改变参数2.3.1改变不同的电阻阻值测得响应 R3=20k R4=20K 图2-13 幅度特性图通过图2-13可知通带截止频率=872Hz 图2-14 冲激响应图改变不同的电阻阻值测得响应R3=20k R4=20K 图2-15 阶跃响应图通过图 2-15可知通带截止频率=92KHz 3dB截止频率62kHz通过公式分析可以知道电阻选取的越大择3dB截止频率越小2.4 matlab测试系统函数公式对对=2,= 10kHz，=1821，=1391Matlab程序R1=1821;R2=1391;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=2,0,0;a=1,1/(R2*c1)+1/(R2*c1)-1/(R1*c2),1/(R1*R2*c2*c1);y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title(阶跃响应)figure(2)plot(y2)title(冲激响应)figure(3)bode(b,a) 图2-16高通滤波器冲激响应 图2-17高通滤波器阶跃响应 图2-18高通滤波器幅频与相频响应与仿真结果符3.二阶有源带通通滤波器3.1设计原理图R3=82k，R1=20k，C=0.01uF，Ar=2选取=500Hz，计算得R2=32.115k 图3-1带通滤波器原理图3.2仿真测试图频域仿真图 图3-2 幅度特性图1由图3-2 知中心频率500hz 图3-3幅度特性图2由图3-3知通带截止频率334hz，阻带截止频率741hz，通带带宽为741-334=307hz 图3-4 相频特性图 图3-5时域仿真图1 图3-6时域仿真图2通带截止频率334hz，阻带截止频率741hz由图可知当输入频率为500hz时，全部通过，根据相位特性知有180度的相移，反相当输入频率为2000hz时，还有分量通过，可知此带通滤波器的滤波性能不高 图3-7 冲激响应图 图3-8 阶跃响应图观察硬件测试 图3-9 冲激响应图 图3-10 阶跃响应图与仿真结果符合3.3改变参数 改变Ra3数值，Ra3=100 图3-11幅度响应图由图3-10可知中心频率为5.5khz 图3-12冲激响应图 图3-1阶跃响应图2.4matlab测试系统函数公式其中R19=82k，R18=20k，C=0.01uF，Ar=2，=500Hz，=32.115k Matlab程序R1=32115;R19=82000;R18=20000;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=0,c1*R19,0;a=R18*R19*c1*c1,2*c1*R18,1+R18/R1;y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title(阶跃响应)figure(2)plot(y2)title(冲激响应)figure(3)bode(b,a) 图3-14带通滤波器冲激响应 图3-15 带通滤波器阶跃响应 图3-16带通滤波器幅频与相频响应与仿真结果符合4. 二阶有源全通通滤波器4.1设计原理图 图4-1全通滤波器原理图4.2仿真测试图频域仿真图 图4-2 幅度特性 图4-3相频特性图 图4-4全通滤波器时域图 图4-5冲激响应图 图4-6阶跃响应图观察硬件测试 图4-7冲激响应图 图4-8阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合其中焊接元件清单表4-1 元件清单及其焊接安装位置名称型号规格封装数量元件序号元件安装位置钽贴片电容10uF，25V12064C1，C2，C3，C4底层（有极性）贴片电容0.1uF，50V，X7R，10%12064C5，C6，C7，C8底层贴片电容0.01uF， ECHU1H103GX5薄膜电容，50V，2% 12068C9，C10，C11，C12，C13，C14，C15，C16底层贴片LED红08051D1顶层（有极性）贴片LED白08051D2顶层（有极性）贴片LED绿08051D3顶层（有极性）贴片LED蓝08051D4顶层（有极性）PTC保险丝50mA12104F1，F2，F3，F4底层（无极性）贴片电阻15k，1%12061R1底层贴片电阻6.8k，1%12061R2底层贴片电阻2k，1%12061R3底层贴片电阻20k，1%12069R4，R8，R9，R13，R14，R18，R24，R26，R27底层贴片电阻10k，1%120610R6，R7，R11，R12，R16，R17，R20，R22，R23，R25底层贴片电阻82k，1%12061R19底层运放NE5532SO-83U1，U2，U3底层运放TL084ACSO-141U4底层测试环K1B729T0T8顶层插线孔K2A3321H1H8，GND，Ra1Ra4，Rb1，Rb2顶层DB9公头焊板式DB9/F2J1，J2底层元件焊接工艺要求： 元件上有文字标注的贴片器件，除了因引脚排列和极性要求之外，应该尽可能保持文字方向一致，并与PCB板上的丝印文字方向相同。有极性的元件（钽电容，发光二极管等），其阳极位置均已在PCB上以“+”标注，安装时应确保极性正确。除测试环（K1B72）之外，所有元件在焊接时均紧贴PCB板面，位置端正。测试环（K1B72）焊接时，测试环两端在焊接面（底层）的突出量控制在0.51mm，焊接后突出部分无需剪除。除特别指出之外，焊接时恒温烙铁温度调至250280为宜。焊点光滑，焊锡量适度，元件焊接牢固可靠，杜绝虚焊。DB9公头焊