有源滤波器设计.doc

第1章 有源滤波器设计1.1正弦波产生电路设计（1.5kHz）1.1.1电路图 图1正弦波产生电路原理图 由电路图1可知，电路图由两大部分组成，即文氏电桥振荡电路和同相放大电路组成。1.1.2子电路图分析1.1.2.1文式电桥振荡电路工作原理分析图2 RC文氏桥振荡电路原理图RC文氏桥振荡电路的电路如图2所示，C1、R1和C2、R2支路是RC串并联网络，实现正反馈；W1是负反馈网络，以调节电路的电压增益。C1、R1、C2、R2和W1构成的桥路，称为文氏桥。 取 有： （1） （2） 正反馈系数： （3）拉氏因子S= 代入上式 （4）令 上式为 （5）幅频响应 （6）相频响应 （7） 当 或者 时，=0 此时经RC选频网络传输到运放同相端的电压同相， 这是自激振荡条件之一，这时的幅频响应的幅值为最大 （8） 以上说明，只有在这个频率，反馈系数才为一实数，且为最大值。也就是说，只有在这个频率才能产生振荡，这就是正反馈网络的选频作用.振荡频率的大小由它的元件数值决定由RC决定。 在满足相位条件的基础上产生振荡的第二个条件是振幅条件，即必须满足： A 或者 电压增益大于是振荡的起振条件，等于1Fv是振荡的稳定条件。因此起振时电压增益3，即2；振荡稳定时，电压增益Av=3，即=2。所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生振荡 RC振荡电路是利用RC网络的选频作用，在选频网络的中心频率点上满足正反馈条件，从而产生正弦波振荡。稳幅措施： 图3 带稳幅措施的RC文氏桥振荡电路原理图实际上，由于起振和稳定对电压增益要求不同，上述的电路很难获得一个不失真的正弦波，即不是因为电压增益过高造成波形失真(出现方波)，就是由于电压增益低出现停振现象。为了使文氏桥振荡电路得到一个理想的波形，我们必须引入稳幅措施。如图3，起振前输出电压Vo幅值很小时，二极管，接近于开路，和组成的并联支路的等效电阻近似为，=3（R为变位器的触点P与之间的阻值）很容易起振；反之，起振后输出电压,幅值较大时，,和导通，由和组成的并联支路的等效电阻减小，随之下降，=幅值趋于稳定.图4 带稳幅措施的Multisim仿真电路图带稳幅措施的电路得到的标准正弦波仿真结果图：图5 带稳幅措施的电路仿真图 从示波器中可以读出波形时间间隔为666.844us，即频率约为1500Hz.带稳幅措施的电路得到的正弦波实际结果图：图6 带稳幅措施的电路实际波形 每一大格为0.2ms,从示波器中可以读出波形周期大约为0.66ms，即频率为1515Hz.带稳幅措施的电路得到的失真正弦波仿真结果图：图7 带稳幅措施的电路失真仿真图带稳幅措施的电路得到的失真正弦波实际结果图：图8 带稳幅措施的电路失真实际波形1.1.2.2运算放大器的作用图9 同相放大器电路图如图9为电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 = ，增益的变化范围 :（1.92.1），其中和（）分别为电位器的右半部和左半部的阻值，所以电位器的作用是调节输出信号的增益大小的。输出电阻 （9）其中： ， ，所以，输出电阻 。同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。由图知同相放大器电路中运用了负反馈。所谓反馈是指将输出电量（电压或电流）的一部分或全部通过反馈网络，用一定方式送回到输入回路，以影响输入电量（电压或电流）的过程。其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈，电路中运用了负反馈。负反馈的作用是利用输出信号v0通过反馈原件（R4、W2、R5）对放大电路起自动调整作用，从而牵制了v0的变化最终达到输出稳定平衡。1.2压控电压源二阶带通滤波器电路设计1.2.1原理图设计 图10 带通滤波器电路图1.2.2传递函数带通滤波器是指让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号的滤波器。图11为二阶带宽滤波电路：图11 二阶带宽滤波电路压控电压源二阶带通滤波器电路如图10所示，电路的传输函数为：（10） 上式中： 是带通滤波器的中心角频率。、分别为带通滤波器的高、低截止角频率，如图11所示。1.2.3已知条件与性能参数1.2.3.1 已知条件已知滤波器的电路形式:压控电压源二阶带通滤波器电路；滤波器的类型：压控电压源二阶带通滤波器；滤波器的性能参数：通带中心频率， ，通带电压放大倍数，通带带宽。1.2.3.2性能参数中心角频率： ( 11 ) ( 12 )中心角频率处的电压放大倍数： ( 13 )上式中： ( 3时电路稳定工作)通带带宽： 或 （14） （15）说明：调节R4，R5可调整增益 、不变，带宽BW（或Q）改变。1.3元件参数的计算与分析与选择元器件选择1.3.1元件参数的计算与分析设计指标要求：通带中心频率： ；通带电压放大倍数：；通带带宽：。由3 ，可以取=2 ，即取=51k。因此可将（11）（12）（13）式化简为： （16） （17） =15.36k （18）对比（16）（17）式 则有 （19）把（18）式代入（19）式有 （20）把（18）式代入（11）式 有 （21）对比（20）（21）式 则有 （22）把（22）式代入（21）式 有 （23）把（23）式代入（18）式 则有 （24）又 =15 （25） 由测控电路（第3版 天津大学 张国雄 主编）第103页知： （26）得： （27）代入数据，得：， 则：，由测控电路（第3版 天津大学 张国雄 主编）第118页二阶有源滤波由表1当时，对应取C=0.01F，表1 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(110)Hz（10102）Hz（102103）Hz（110）KHz（10103）KHz102KHzC(2010)uF（100.1）uF（0.10.01）uF（104103）pF（103102）pF（10210）pF则有 =9420 （28）把以上数据代入（22）（23）（24），求得 分析：以上计算所得到的参数，由于对R4，R5以及C的取值的不同，所得到的参数值也会有所不同，改变R4，R5的值可调整增益 ，不变，带宽BW（或Q）会随之改变。1.3.2元器件选择电阻的选择 根据满足设计要求的参数计算得到结果和市场上所出售的情况而选择，见附录II元器件清单。电容的选择 根据满足设计要求的滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系而选择，见附录元器件清单。运放的选择 我们选择了八管脚的UA741双运放，见附录元器件清单。二极管的选择 我们选择了普通1N4148型二极管，见附录元器件清单。变位器的选择 根据满足设计要求的参数和市场上所出售的情况而选择了精密电位器，见附录元器件清单。1.4 Matlab绘制幅频和相频曲线传递函数： （29）程序：num=1256.64 0;den=1 628.32 88826439.61;bode(num,den);grid;图12 幅频和相频曲线图由传输函数和观测特性曲线可知,带通滤波器电路的幅频特性的衰减速率主要由电路的品质因数Q决定。不同的Q值幅频特性的曲线也不相同，Q值越大，曲线就越尖锐。1.5总设计1.5.1总电路原理图设计图13 总电路设计原理图 1.5.2电路工作原理分析 由图13可知，此总电路由文氏电桥振荡电路、运算放大电路、压控电压源二价带通滤波电路组成。文氏电桥振荡电路的工作原理（见1.1.2.1文式电桥振荡电路工作原理分析）。运算放大电路的工作原理：运放是一个开环放大倍数极大的放大器，两个输入端“”、“”之间只要有微小的电压差异，就会使输出端截止或者饱和。而输入端的输入电阻非常大，可以认为不需要输出电流，即就是所谓的虚短和虚断现象，此类运放被视为理想运放。本设计中采用同相放大电路。滤波器的工作原理：滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指能让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号的电路，它可以有低频和高频电路组合而成。 本设计就是通过文式电桥振荡电路产生1.5kHz的正弦信号，将信号通过同相放大器放大，然后让信号通过压控电压源二阶带通滤波器，最后输出满足要求的信号。第2章 Multisim.V10.0仿真分析Multisim.V10.0软件介绍Multisim.V10.0是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim.V10.0交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim.V10.0提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。Multisim.V10.0的最显著特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚拟实验平台。他几乎能对“电子技术”课程中所有基本电路进行虚拟实验，虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似，但比实际方便、省时。他还能进行实际无法或不便进行的试验内容，通过储存等方法可精确记录器实验结果。它还提供好几种电路分析功能，能仿真电路实际工作状态和性能。通过Multisim.V10.0和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。应用Multisim.V10.0，便于实现边学边练的教学模式，使“电子技术”课程的学习变得更有趣而容易。2.1 Multisim.V10.0电路图图14 仿真电路原理图滤波器仿真电路原理图如下：图15 压控电压源带通滤波器仿真原理图2.2 Multisim.V10.0仿真分析分析结果图中心频率=1500Hz时，仿真波形图如下：图16 中心频率仿真波形图频率=150050=1450Hz时，仿真波形图如下：图17 下限转折频率仿真波形图频率=1500+50=1550Hz时，仿真波形图如下：图18 上限转折频率仿真波形图实测结果如下：文氏电桥电路输出：图19 文氏电桥电路实际波形中心频率=1.5113kHz时，波形图如下：图20 中心频率实际波形频率=1511.3 50=1461.3Hz时，波形图如下：图21 下限转折频率实际波形图频率=1511.3 + 50=1561.3Hz时，波形图如下：图22 上限转折频率实际波形图第3章 电路板的制作与调试3.1绘制PCB原理图1. 设置电路图纸参数及相关信息。2. 装入所需的元件库。3. 放置元件。4. 电路图布线。5. 调整、检查和修改。6. 补充完善。7. 保存和打印输出。以上操作的具体内容，请参考所选用的EAD软件相应的资料书。根据以上操作绘制压控电压源二阶带通滤波PCB原理图如下：图23 PCB原理图3.2制作PCB板 1.用油印纸打印原文件的PCB图。2.根据需要选择单面板还是双面板(此设计用单面板即可)，根据PCB图确定PCB板大小，用细砂纸将PCB板覆铜面打磨光亮，去除铜锈，然后清洗干净，以便油墨能够顺利覆上。3.将印有PCB图的油印纸反扣在清洗干净后的PCB板覆铜面上，往油印纸上浇适量水，用加热后的熨斗小心均匀熨烫，直至油印纸上的油墨完好的覆在铜面上，小心揭去油印纸。4.配置适当浓度的FeCl3溶液，将覆有油墨的PCB板放入其中浸泡，直至油墨旁的铜层完全褪去。5.取出PCB板，清洗干净，用细砂纸小心打磨掉油墨，露出铜线层。6.按PCB图放置元器件管脚位置，选择适当的小钻头用打孔机打孔，直至所需打孔完毕。7.放置元器件：确认好元器件的管脚正负极性，按PCB图放置元器件。8.焊接：把所需焊接点全部焊好，焊接过程中，要保持焊接良好，防止脱焊、虚焊。3.3 进行调试完成以上任务之后，首先将设计好的成品分别与示波器和信号发生器连接好，然后进行调试，观察波形并对其进行分析，看是否存在很大问题，如果存在，对其进行检查，然后加以改进，再次进行调试，直到满足设计要求，最后记录相应数据。3.4设计指标参数与实测值比较分析中心角频率： = 2 （30）15 （31）中心角频率处的电压放大倍数：2 （32）= 2 = 实测值为： =1511.3 = 15.11 =2.1分析：通过以上结果可以看出实测结果与设计指标参数存在一定误差，其误差主要来源以下几点：（1）电路板上元件的阻值与实际的电阻值有一点的误差，得到的结果与计算结果有不同。（2）电路板焊接时对元器件有了一点的影响。（3）读数时有偏差，连接示波器时的元件的具体频率值与电阻值都直接取了整数，并不是原来的那个值。因此在具体周期的计算值上也有不同。（4）焊接点与线也有一定的电阻。结论总结以上所述，得出几点结论：(1)由振荡的相位条件得出振荡的频率，。(2)由振荡的振幅条件决定了放大器的增益和引入负反馈。(3)不带稳幅功能的电路虽然能得到正弦波但适用性不强。(4)在负反馈支路中引入稳幅功能电路，不但容易起振，而且振荡稳定、波形不易失真。(5)负反馈的引入是以牺牲电压增益为代价的，引入的负反馈深度越深，电压增益就越小,振荡器的起振幅度条件就越不易满足，当负反馈深度减小时，虽然容易满足起振条件，但往往由于放大器的放大倍数太大，造成输出波形失真而出现方波信号。参考文献1张国雄.测控电路M.第3版.机械工业出版社.2008.12康华光.模拟电子技术基础M.第五版.高等教育出版社.2006.13张国雄,沈生培.精密仪器电路M.机械工业出版社.1988.4蔡锦福等编.运算放大器原理与应用M.科学出版社，2005.75自编，测控电路设计型实验任务书M.致谢结束语 这次的课程设计即将结束了，想想这短短一周内，留下的是许许多多深刻的印象。以往的课程设计，总会让人感慨万千，这也让我明白了学校开设课程设计教程的意义所在。在整个课程设计环节中，出现了各种各样的问题，而对于这些问题，我只是沉浸在问题的表面和繁多，并没有保持清醒的头脑去分析问题的本质，以致于整个过程进行的有点缓慢。这次是一次实践性的课程，比起书本上理论性的知识，我觉得，书本上的结论太多是理想性的、忽略次要因素这样的特点，这对于亲身实践带来了些许的困难，因为现实中总会有干扰与误差，这可能会让结果严重偏离结论。当然，这