二阶有源高通滤波器.doc

二阶有源高通滤波器 2008041215 08应物二徐慧瑶摘要：本次课程设计借助Multisim9软件平台，完成了对巴特沃斯型二阶有源高通滤波器电路的设计，并通过软件本身自带的工具及功能完成了电路的调试、仿真，数据的采集以及处理分析。在此次课程设计过程中，逐步掌握了Multisim9的基本操作流程，熟悉并了解了集成运算放大器OPA603的典型应用，同时加深了自己对滤波器电路（尤其巴特沃斯型滤波电路）的理解。关键词：二阶有源高通、滤波器、741、巴特沃斯目录1 绪论42 实习的主要内容53 设计作品名称（或课题）：63.1电路原理图：63.2 工作原理、仿真和性能测试与分析：73.2.1工作原理:73.2.2 传递函数及相关数据73.2.3幅频响应及相关数据83.2.4频谱分析93.2.5误差成因分析104.心得体会：105.存在的不足及建议：116参考文献：111 绪论本次课程设计老师提供了若干课题供选择，本设计的方向是二阶有源高通滤波器。在对课题的深入研究过程中，主要采用了查阅资料和电脑仿真两种研究方式。通过查阅相关书籍、PDF文档，对二阶有源高通滤波电路有了大致的概念，在进一步的阅读中逐渐熟悉了相关的概念，并对相关参数有了一定理解，知道不同参数对电路的不同影响及影响产生的原理。懂得原理之后便是上机操作，理论与实际的区别也只有在实验中才得以直观的被观察到。又由于模电的真实实验中存在太多不确定性，而且实际条件不允许，因而通过软件进行仿真实验是最好的选择。这次的课程设计过程中，Multisim9软件发挥了相当大的作用。在老师的指导下，完成了二阶有源高通滤波器电路从理论到实际仿真的过程，借助于软件本身自带的工具和功能，成功的进行了对仿真电路的调试及数据的采集，得到了较为理想的数据。二阶有源高通滤波器的作用主要是消除高频信号中的低频噪声，提高产品的抗扰度，阻挡噪声信号对电路的影响。本质上，滤波器就是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的工具。因而在实际的生产生活中，尤其在信号采集、传送、处理过程中，有着广泛而重要的作用。2 实习的主要内容08级模拟电子技术课程设计任务书系(部):电子与通信工程系 专业: 应物 指导教师: 张海涛、黄利元、刘莉、王应德 2009-12-15 课题名称二阶高通有源滤波器设计内容及要求1、选题范围：1.1直流稳压电源类：串联稳压、三端稳压等1.2信号源（振荡器）类：1.3放大器类（低频、中频、高频、音频、甲类、乙类、丙类等）：晶体管类、运算放大器类等；1.4滤波器类（有源、无源）：高通、低通、带通、带阻；（对信号处理方式：调幅、调频、鉴频、鉴相、微分、积分、检波等）1.5也可通过各种模拟IC的典型应用电路设计；2、设计要求：2.1必要的参数计算或基本原理说明；2.2电路通过multisim9软件仿真；2.3 有相关参数测试数据或波形分析说明。设计工作量1、详见实习指导书2、课程设计提交的资料：2.1 课程设计说明书打印稿及电子文档；2.2 仿真源文件；进度安排起止日期（或时间）设计内容（或预期目标）备注2009年12月21日25日详见实习指导书教研室意见年 月 日系（部）主管领导意见年 月 日3 设计作品名称（或课题）：二阶高通有源滤波器3.1电路原理图：二阶有源高通滤波电路如图所示，由图可见，它由两节RC滤波电路和同向比例放大电路组成，其特点是输入阻抗低，输出阻抗高。同向比例放大电路的电压增益就是高通滤波器的通带电压增益，即 图3.1.1 二阶有源高通滤波电路原理图 图3.1.2 集成运放封装图 图3.1.3 集成运放OPA603引脚图3.2 工作原理、仿真和性能测试与分析：3.2.1工作原理:滤波器是一种使有用信号通过、抑制无用频率信号的电路。有源高通滤波电路由集成运放和无源原件和电容构成，允许从某个截止频率到无穷大的频率无衰减的通过，而对其他频率的信号有抑制作用。有源高通滤波电路可以用来滤除低频干扰信号。此次设计的滤波器为最平响应滤波器，又称Butterworth滤波器。最平响应的含义是指Butterworth滤波器在=时即直流点上，其传输衰减 （即0dB）衰减曲线的各阶导为0，因而在这一点上曲线是最平的。这类电路的主要特点是因阻尼较大，通带内又最大平坦段，过渡带衰减较慢，虽然因此选择性较差，但换来了通带内的相频特性较接近线性。3.2.2 传递函数及相关数据考虑到集成运放的通向输入端电压为而VP(s)与VA(s)的关系为(节点A为C1、C2、R2公共节点)对于节点A，应用KCL可得联立上式求解，可得电路传递函数为令（特征角频率）（等效品质因数）则有其中特征角频率也是3dB截止角频率。由上式可知,电路才能稳定工作。当 电路将自激振荡。本电路中反馈电阻解得 仿真数据如图所示图3.2.2.1 输入、输出信号数据图3.3.2.2 输入输出信号波形 由以上数据求得3.2.3幅频响应及相关数据 用带入前式，可得幅频响应表达式为仿真结果如图示截止频率误差3.2.4频谱分析本电路采用开关控制双电压源设计，分别为1V、5KHz交流电压源和1V、10KHz交流电压源。不同电压源下频谱特性曲线如图所示。 图3.2.4.1 5KHz电压源时频谱特性曲线 3.2.4.2 10KHz电压源时频谱特性曲线误差：（1）5KHz电压源条件下 （2）10KHz电压源条件下3.2.5误差成因分析实验中，误差的存在是在所难免的，即使是虚拟的仿真实验也是如此。此次设计中牵涉到的数据，误差均小于5%，即在可接受范围内，数据均有效，仿真实验成功。但实验中依然出现了一定的误差，经分析可能原因有：（1） 仿真中使用的虚拟元器件大多为实际元器件的虚拟形式，与理论值有一定量的误差。（2） 仿真中使用的主要元器件OPA603AP型集成运算放大器，不完全等效于理想运放（3） 模拟电子电路的理论值计算公式本身已经过简化，存在微小误差。（4） 使用Multisim软件对仿真数据读取计量时，受计算机限制，无法调到最佳的读数点。4.心得体会：本次的课题为二阶有源高通滤波器，得到的仿真结果与理论值相差不大，较为令人满意。这个课题的内容在很多参考资料书上都有相关介绍，电路图也大同小异，因而可以说选择原理电路的过程还是很容易的，但是事实上，滤波电路的原理虽然说也很重要，但却不是试验成功最难的一步，相比较之下，根据原理图的要求，选择各类元器件才是最麻烦的一步。在完成这一份仿真之前，笔者也曾按图索骥般完成过另外一份滤波电路的仿真，但那一组的数据及仿真结果均难以令人满意。或许是因为电路中的各个元器件搭配不当，又或许是对于刚学的Multisim9 软件操作有问题，在本应出现典型高通滤波电路幅频曲线的波特图仪上，仅仅只能观察到一个类似正弦波波峰的曲线。如果说我的电路本身不存在问题，仿真曲线也的确如波特图仪显示的那样，那么就只能证明当时的我对于仿真软件的使用还存在相当多的不了解，尚不会虚拟仪器的调试。经历了多次失败的仿真结果后，我暂时停止了盲目仿真的过程，我开始在网络上和书籍中查阅相关资料，进一步学习滤波器的相关知识，为合理调整电路元器件的数值打基础。与此同时又参阅了部分Multisim的教程，以及网上的经验之谈。前一次的失败工作虽然没有为我带来满意的数据，但是反复操练带来的熟练程度，让我在后来的仿真实验中受益匪浅，面对全英文的操作界面也不再是处处茫然，常用的仪器、元器件也知道该如何去找去用了。及时充电过后的正式仿真相比之下就显得容易多了。先设定一个预期的结果，再根据预期结果反推所需的元器件及参数，接着在软件自带的器件库内找齐所需元件再连接即可。由于事先算好了数据，故得到的曲线与理论值相当接近。本次课程设计其实学到了很多东西。最基本的当然是滤波器的相关知识；其次是Multisim软件的基本操作和应用；除此之外在老师的提醒下我还知道了查阅电子元器件参数最权威的方式PDF文档；还有一些零零散散的看似不起眼但却又不能被忽略的小知识。通过这次课程设计，更加强化了我一个概念无论做什么，一定要在事先做好充分的准备，那样才不会在面临意外时手忙脚乱，而且事前做准备一定比时候找纰漏来得容易得多。5.存在的不足及建议：这次的课程设计，老师给与了我们相当大的帮助。提供了若干个课题，供同学选择，而且强制要求一人一个课题，最大限度上逼同学培养出独立思考的能力。但是这次的课程设计也存在几点不足：（1）电脑室的电脑较少，全专业同学一起去的时候，总会有同学不能上机，缺少实际操练的机会。（2） 实验室的老师不能解决所有同学提出的问题，部分老师对软件的掌握不够熟练