有源带阻滤波器

1、湖南文理学院课程设计报告课程名称： 电子技术课程设计 院 部： 电气与信息工程学院 专业班级： 自动化11102班 学生姓名：郭磊 （4）指导教师： 侯 清 莲 完成时间： 2013.5.21 评阅意见： 评阅教师 日期 报告成绩： 目 录摘要3第1章 设计目的及要求41.1设计任务41.2设计要求4第2章 滤波器的设计原理依据及元器件的选择52.1滤波器的介绍52.2 有源滤波器的设计52.3滤波器类型及阶数的选择6第3章 multisim辅助设计及修正10第4章采用protel设计电路图及问题114.1 protel注意事项114.2 制作pcb板的流程124.3 注意事项12第5章 调板

2、以及测试分析125.1测试仪器表125.2 对安装好的电路按一下方法进行调整和测试：135.3实际电路遇到的问题及解决方法135.4 测试结果和幅频图分析14结论16心得体会及建议16参考文献：17摘 要带通滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。带阻滤波器的功能是在规定的频带信号不能通过或受到很大衰减，而在其余频率范围，则信号能顺利通过。本实验的目的就是通过运放设计一个有源带阻滤波器的电路。第1章 设计目的及要求1.1设计任务设计一个二阶有源带阻滤波器。1.2设计要求（1）中心截止频率fc=5

3、0Hz；（2）增益Av2；（3）Q大于10； （4）阻带衰减速率大于等于15dB/10倍频程；（5）调整并记录滤波器的波形、性能参数及幅频特性。第2章 滤波器的设计原理依据及元器件的选择2.1滤波器的介绍滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。带阻滤波器是一个阻止特定频率而让其他频率通过的部件。理想带阻滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求。为了寻找最佳的近似理想特性，本论文主要着眼于幅频响应，而不考虑相频响应。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其

4、相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。2.2 有源滤波器的设计有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。（2）选择具体的电路形

5、式。（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。（4）解方程组求出电路中元件的具体数值。（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。2.3滤波器类型及阶数的选择根据课设要求，我们选择巴特沃斯（butterworth）滤波电路。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。由于要求为-40dB/十倍频程，选择二阶有源低通滤波器电路，即n=2。有源2阶带阻滤波器电路如图1所示。 二阶有源带阻滤波器 图1在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ffc时（fc 为截止频率），电

6、路的每级RC 电路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源带阻滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，阻止特定频段信号通过。二阶带阻滤波器电路及工作原理（BEF）如图1（a）所示，这种电路的性能和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。在双T网络后加一级同相比例运算电路就构成了基本的二阶有源BEF。 (a) 电路图 (b) 频率特性 图2二阶带阻滤波器电路性能参数

7、：通带增益 中心频率 带阻宽度B2（2Aup）f0选择性1压控电压源二阶带阻滤波器电路如图2所示。电路的传输函数：其中，通带电压放大倍数： 阻带中心处的角频率： 品质因数：2.无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器该电路由二阶带通滤波器和一个加法器组成，如图3所示。电路的传输函数为：其中：通带电压放大倍数：（Auo即为Av）阻带中心角频率：阻带带宽：表1电路元器件值R10.796Q R2R1/(Q2-1)R31.0R44R1R52.0R6AvR3C10.33C注：电阻为参数k=1 时的值，单位为k,增益为Av（反相），品质因数Q为了得到相对应的电阻值，需要算出K值，用K值乘以相应的R得到R；而K=1

8、00/(fc*C) （24）注释：C以uf作为单位，fc以hz为单位。K值不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入的误差增加，通常选择1 K10.本次课程设计我们取Q=10；经查表得，fc=50hz时取C=1uf，对应参数K=2；由表2.1得困时，电阻R1=0.796Q=7.96K,R2=R1/(Q2-1)=0.08K,R3=1.0K,R4=4R1=31.84K,R5=2.0K;取滤波器的增益为Av=2，则R6=2K；将上述电阻值乘以参数K=2，取得R1=15.92K,取标称值16K；让=0.16K；取标称值160；R3=2K;R4=63.68K,取标称值62K+1.6K；R5=4K;R6

9、=4K;增益Av=-R6/R3=-2。实验调整修改元件值。设输入信号为Vi=20mV.测得其性能参数为：f0=50hz,Av=2，fh=55hz,fl=45hz,则BW=fh-fl=10hz,品质因数Q=f0/BW=5,与设计值Q=10的要求偏差较大。可以进一步调整原件参数使其满足实际要求。调整后的元件参数、幅频特性如图3所示。（注：实验电路图中的芯片uA747应为NE5532） (a) (b) 图3 二阶无限增益多路反馈带阻滤波器 (a)实验电路 (b)幅频特性2.4 Ua741的封装介绍图4NE5532管脚图为图4。NE5532为双放大器的运放芯片。第1管脚是第一级放大器的输出端；第2管脚

10、是第一级放大器的反相端输入端；第3管脚是第一级放大器的同相端输入端；第4和第8管脚分别为负直流源和正直流源输入端；第7管脚为第二级放大器的输出端；第6管脚是第二级放大器的反相端输入端；第5管脚是第二级放大器的同相端输入端；第3章 multisim辅助设计及修正通过multisim仿真软件对上述电路进一步修正，修正的结果为图5：图5 multisim仿真电路其频域仿真结果为： 其波形图为： 图6 multisim仿真得到的频域图及波形图 第4章采用protel设计电路图及问题电路的原理图为图7 图74.1 protel注意事项电路绘制的时候主要是注意各个元器件的封装和实际买回来的元器件的管脚大小

11、及距离相对应，并有选择地采用排针作为信号的输入以及输出和直流电源的输入。电容用CAPPR2-5x6.8封装型号。元器件采用手动布局。布线采用手动布局，布线时需要设计好参数。一般线条大小为1mm，地线和电源线大小为1.3mm，过孔为1mm，焊盘为1.8mm。电路板的长宽为：75mm55mm。实际板子大小为：100mm60mm绘制好的pcb的sch电路图4.2 制作pcb板的流程设计好原理图sch改变封装绘制pcb板布局布线打印pcb图纸印制铜板腐蚀铜板钻孔焊接元器件测板修改电路测试（直到符合设计要求）。4.3 注意事项（1）电阻的标称值应尽可能接近设计值，这可以适当选用几个电阻串并联；尽可能采用

12、金属膜电阻电容及容差小于10%的电容，影响滤波器性能的主要因素是 R/R、C/C及运放的功能。（2）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则根据设计表调整修正相应元器件的值。（3）制作板子过程中，为了节省材料，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳的功能。所以板子元器件布局紧密。而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少，在拐角处不要用90的角。焊盘过孔设计合理。 第5章 调板以及测试分析5.1测试仪器表仪器名称仪器型号数量备注模拟示波器YB43251台4位半万用表VC98061个信号发生器PMM 70001台直流电压源XD1725A1台仿真软件Multisim8表25.2 对安装好的电路按一下方法进行调整和

13、测试：（1）仔细检查装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。（2）在电路的输入端假如Vi=1V的正弦信号，慢慢改变输入的信号的频率（注意保持Vi的不变），用示波器观察输出电压的变化。在滤波器的截止频率附近，观察电路是否具有滤波特性，若没有滤波特性，应检查电路，找出故障原因并排除之。（3）若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。对低通滤波器应观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。然后观测电压放大倍数是否满足设计要求，若不达到要求，应根据相关公式调整有关的元件，使其达到设计要求。通过测试设计

14、值点电路板的结果，对电路板进行修正以达到设计要求。设计指标：fc=50hz，增益为Av=2，-40dB/十倍频程。输入信号Vi=1Vp-p，观察滤波器的截止频率fc及电压放大倍数Av。按要求理论测试结果应为：在相对低频时，如fc1为35hz时，电压放大倍数为2；在fc=50hz时，Av=0；在相对高频时，如fc1为65hz时，电压放大倍数为2。 5.3实际电路遇到的问题及解决方法测试结果显示fc=47hz，不符合截止频率为50hz的要求。经过多次分析，认为理论的设计的方法和实际的不符。并由 得知，假如实际的截止频率比所要求的截止频率小，则要求把电阻或者电容减小；假如实际的截止频率比要求的大，则

15、要求把电阻或者电容增大。由于测试的截止频率比设计要求的低，所以要提高它的截止频率。假定电容不变了，则电阻值RWcfc和RWcfc；可以判定原来的电路的电阻值过大。介于个人经验不足，我原先把R1原来的16k改成15k，但是还是没有满足要求。然后我将R1变回16K，改变R2电阻值为150的电阻。即R2=150，R1=16k，C1=C2=1uf。做出上述的改变之后各项设计要求基本达标。 5.4 测试结果和幅频图分析电路测试得到的输出电压和频率Vofc关系表如下：序列12345678fc/hz020303540434546Vo/v1.971.971.971.971.9151.7751.5451.4序列

16、910111213141516Fc/hz4748495051525354Vo/v1.1450.830.6050.781.1351.3951.5651.69序列17181920212223Fc/hz555760657080100Vo/v1.761.851.931.971.971.971.97 表3它的频率特性曲线为图5.1： 图8通过上图可知，在输入频率为46hz之前和52hz之后，输出的电压值均在1.414Vp-p左右，即在低频段和高频段时Q值大于0.707，在49hz时，输出的电压为0.605Vp-p,衰减速率符合设计要求。在输入频率为3khz时，衰减因子Q为0.707左右。小于46hz和大

17、于52hz的时候，衰减的速率大概为3dB，在49hz至50hz之间的时候，衰减的速率大概为15dB。实际的电路基本满足设计指标要求。电阻R的稳定性可用相对误差R/R表示，电容C的稳定性可用C/C表示，由于R、C的不稳定引起中心角频率Wo的不稳定，Wo的稳定性用Wo/Wo表示。Wo/Wo=(Wo/R)R+(Wo/C) C因为Wo=1/(RC)=-(R+C),所以Wo/Wo=-(R+C) /RR+-(R+C) /CC=R/RC/C由于R/R、C/C对频率fc的影响较大，所以试验参数与设计表中的关系式之间存在较大的误差。其次，由于电阻电容的实际值和其标值也有出入，导致实际电路的截止频率有偏差。课设目

18、的不是误差分析，而是通过此次课程设计能够加深理论与实际的工程思维，因此在此不做详细分析。结论利用公式法设计有源带阻滤波器，要求解多元高阶方程组；若采用查表法求解电路参数，就简单得多。因此应尽量采用查表法求解电路参数，以减少电路运算复杂程度。虽然可能误差很大，但是能够带来很大的方便。初学设计时尽量能快速找到解决问题，培养解决问题的能力，积累设计经验。通过此次的课设，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模

19、式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过课程设计，学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。在设计电路过程中，理论知识很重要，理论知识决定了设计的方法，设计电路的成败。所以需要查找很多资料，需要足够的耐心、细心去研究问题，解决问题。同时还必须有实事求是地分析问题的态度，知道理论与实际是有一些差别的。调试的过程中要有平和的心态，遇见问题是非常正常的，要做的就是多做比较和分析，逐步的排除可能的