模电课程设计--有源带通滤波器电路设计.docx

有源带通滤波器电路设计1 滤波器的简介 在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号，有些频率是不需要的干扰信号。如果这两个信号在频率上有较大的差别，就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。滤波电路的作用是允许模拟输入信号中某一部分频率的信号通过，而阻断另一部分频率的信号通过。1.1滤波器的发展历程凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917年美国和德国科学家分别发明了lc滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致了rc有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。 1.2滤波器的分类 实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让大家了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种。（1）按处理信号类型分类可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个树形结构。 （2）按选择物理量分类 滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如pcm制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。（3）按频率通带范围滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别。 1.3有源滤波器的介绍有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器（fdnr）、广义阻抗变换器（gic）、负阻抗变换器（nic）、正阻抗变换器（pic）、负阻抗倒置器（nii）、正阻抗倒置器（pii）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和零子。 1965年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。70年代初期，有源滤波器发展引人注目，1978年单片rc有源滤波器问世，为滤波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了rc有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20khz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100khz以内。1974年产生了更高频的rc有源滤波器，使工作频率可达gb/4（gb为运放增益与带宽之积）。由于r的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现了有源c滤波器：就是滤波器由c和运放组成。这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源c滤波器的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关。但它有一个主要问题：由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通道，使稳定性成为难题。1982年由geiger、allen和ngo提出用连续的开关电阻（sr）去替代有源rc滤波器中的电阻r，就构成了src滤波器，它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。 总之，由rc有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，q值可达1000，克服了rlc无源滤波器体积大，q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于r存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，rc有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。2 有源带通滤波器的设计带通滤波器的作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。二阶压控型有源带通滤波器是由rc低通滤波器和rc高通滤波器串联而成，从而实现了“带通滤波”的要求。2.1运放电路的工作原理lm324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装，引脚排列见图2.2。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运算放大器互相独立。每一组运算放大器可用图2.1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“vi+”、“vi-”为两个信号输入端,“v+”、“v-” 为正、负电源端,“vo”为输出端。两个信号输入端中,vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端vo的信号与该输入端的位相反;vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。 图2.1 运算放大器符号 图2.2 lm324管脚连接图由于lm324四运放集成电路既可接单电源使用（3 30v），也可以接双电源使用（1.5 15v），不需要调零，具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。2.2有源带通滤波器的工作原理带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。典型的带通滤波器可以由rc低通滤波器和rc高通滤波器串联而成，从而实现了“带通滤波”的要求。二阶压控型有源带通滤波器原理框图如图2.3所示。 图2.3 二阶压控型有源带通滤波器原理框图 有源带通滤波器的具体电路如图2.4所示。由此电路可知，电阻r1与c组成低通滤波器，后面一个电容c与电阻r2组成高通滤波器，二者串联在一起组成带通滤波器。除此之外，r4与rf组成同相比例运算电路，r3则是为改善电路特性而引入的反馈。图2.4 有源带通滤波器电路图 图2.5 幅频特性曲线带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。其有较好的幅频特性，幅频特性曲线如图2.5所示。2.3有源带通滤波器的参数计算电路性能参数:auf =uoui=1+rfr4当c1=c2=c, r1=r3=r, r2=2r时，电路的传递函数: au(s)=auf(s)src1+3-aufssrc+src2（1.1） 设中心频率f0 = 1 2rc,电压放大倍数 au = auf3-auf 11+j13-auf *（ff0-f0f) （1.2）当f=f0时，得出通带放大倍数 aup=auf|3-auf|=qauf （1.3）使式（1.2）分母的模为2，即使式（1.2）的分母虚部的绝对值为1，即解方程取正根，就可得到下限截止频率fp1和上限截止频率fp2分别为fp1=f023-auf2+4 - (3-auf) （1.4）fp2=f023-auf2+4 + (3-auf) （1.5） 通频带为：fbw=fp2-fp1=|3-auf|f0= f0q根据课设要求：通带范围为50hz-20khz，带内电压变化小于0.5db，确定中心频率为f0=1khz，再根据式（1.4）和（1.5）计算出auf=3根据中心频率选择0.01uf的电容，rf =2r4，取r4=1.5k则解得：r1=300 r2=4.5k r3=3 k r4=1.5k r5=3k c1=c2=0.01uf 在仿真的基础上，对参数进行微调得： r1=280 r2=4.5 k r3=3.3 k r4=1.5 k r5=3.2 k c1= 0.01uf c2=0.012 uf3直流稳压电源的设计 很多电子设备、家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低能耗、便携式的仪器设备选用干电池供电外，绝大多数的电子设备正常工作需要直流供电，而常用的电源市电是220v的交流电，因此需要把交流电变成直流电。变换的方法就是由交流电经过变压、整流、滤波、稳压四个步骤来获得直流稳压电源。3.1直流稳压电源的工作原理直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。直流稳压电源的结构如图3.1所示。图3.1直流稳压电源的结构图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；整流电路的作用是将交流电变换成具有直流电成分的脉动直流电；滤波电路的作用是将脉动直流中的交流成分滤除，较少交流成分，增加直流成分；稳压电路的作用是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。3.2单相桥式全波整流电路的工作原理整流电路是利用二极管的单向导电性，把交流电变成脉动直流电的电路。单相桥式全波整流电路由四个二级管组成，整流堆管脚图及内部结构如图3.2所示。该电路的整流效果和输出电压波形，为单相半波整流电路的二倍。桥式整流电路的简化电路图如图3.3所示。图3.2 整流堆管脚及内部结构图 图3.3 桥式整流电路简化电路图（1） 参数的计算：a直流电压uob直流电源ioc波动系数（2） 参数选择根据二极管的电流id和二极管所承受的最大反向峰值电压urm进行选择，即： 3.3电容滤波电路的工作原理 电容滤波电路利用电容元件储能的特性，将整流后输出的脉动直流电压的能量储存起来，然后缓慢的释放给负载。尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。（1） 参数的计算a. 耐压电流b放电时间常数范围c输入输出关系d波动系数（2） 电容滤波电路的优点1）电容滤波电路适用于小电流负载。2）电容滤波电路的外特性比较软。3）采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。必须选用较大容量的整流二极管。4）电容滤波后，输出直流电压提高了，同时输出电压的脉动成分也降低了，而且输出直流电压与放电时间常数有关rlc，uo=1.4u2，s=0。（3） 参数选择电容放电的时间常数 =rlc 愈大，放电过程愈慢，则输出电压愈高，同时脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。故应该选择一个大一些的电容。3.4稳压电路的工作原理由整流滤波电路把交流电变成直流电的直流电源虽然结构简单，但它的输出电压不稳定。稳压电路的作用是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。本次课程设计中，稳压电路选择用三段集成稳压器7815和7915以及电容组成。电路图如图3.4所示。该电路的对称性好，温度特性也近似一致。图3.4 稳压电路电路图（1） 集成三端稳压器介绍随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。这种稳压器只有输出端、输入端和公共端三个引出端，故也称为“集成三端稳压器” ，简称集成稳压器。cw7800、cw7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。cw7800系列固定输出正电压，cw7900固定输出负电压，档位一般有5v、6v、9v、12v、15v、18v 、24v。（2） cw7815和cw7915外形及连接图，如图3.5所示。cw7815外形及连接图 cw7915外形及连接图 图3.5 cw7815和cw7915外形及连接图（3） 保护电路稳压电路的输出端接有保护二极管，如图3.6所示。如果不接保护二极管，cw7815输出电压通过rl加到cw7915的输出端，必将cw7915烧毁。在正常工作情况下，两个保护二极管均处于截止状态，不影响电路的工作。假如，cw7915输入电压未接入，此时cw7815输出电压将通过外接负载接到cw7915的输出端，使得d3正向导通，将cw7915输出端输出电压钳位在+0.7v，保证cw7915不致损坏。图3.6 直流稳压电源设计电路图3.5直流稳压电源的所需元件 直流稳压电源的设计电路如图3.6所示。元件：（1）变压器 ts_rf2 一个（2）桥式整流器 3n246 一个 （3）电容 1000uf两个，0.1uf 2个，0.33uf两个，220 uf两个 （4）三端集成稳压器 cw7815，cw7915各一块4 二阶有源带通滤波器仿真测试本次课设的电路仿真基于仿真软件multisim 11.0。4.1 二阶有源带通滤波器仿真电路 图4.1基于multisim11.0的有源带通滤波器的仿真电路4.2 仿真记录结果 图4.2 下限截止频率的波特图 如图4.2所示，当输入频率为49.452hz时，电压放大倍数为-3.011db。在误差范围内满足“下限截止频率为50hz”的要求。 图4.3 上线截止频率的波特图如图4.3所示，当输入频率为20.171khz时，电压放大倍数为-3.001db。在误差范围内满足“上限截止频率为20khz”的要求。 图4.4 中心频率的波特图如图4.4所示，当输入频率为1.011khz时，电压放大倍数为-2.5db。在误差范围内满足“带内电压变化小于0.5db”的要求。5 误差分析任何实验过程都难免存在误差，在课设过程中，我们要做的是尽量控制理论误差，使理论设计误差不能影响实验结果。在制作调试过程中，我们要控制实验误差，不能使误差过大而影响实验结果。5.1元器件误差由于计算得出的元器件参数比较理想化，而实际中用的原件很难匹配所有的参数，如滤波器中的r1，取值为280，现实中无法买到阻值为280的电阻，只能通过电阻的串并联去尽可能的接近它。而电阻一般有5%的误差，本身无法达到精确匹配。至于电容，误差更大，远不止5%（电容的误差在20%内便为合格）。5.2 仪器误差所有测量仪器都有一定误差，例如函数发生器有50的内阻，示波器的本身误差示数误差以及波形的抖动造成的误差。6 实物制作图6.1 实物展示图7 课设心得这次课程设计中不仅验证了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程“千里之行始于足下”，我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。模拟电子技术课程设计，这是我大学的又一个课程设计，对于我个人来说，意义重大。在这次课程设计中，通过查找相关书籍和相关资料，我增长了不少相关知识。阅读相关书籍后，确定各种电路的模型。通过大量的演算，得出各类元件的参数，验算求证。运用multisim 11.0仿真软件，绘制相应的电路图，对计算出的参数进行验证。反复推导，使参数更加符合要求。对multisim 11.0在本专业的应用有了新的认识，可以在以后的基础课程学习和专业课程上用它来解决很多问题，更好的掌握multisim 11.0的使用方法和技巧，对以后的学习生活有很大的帮助。而对滤波器电路的理论分析