基于运算放大器的工频信号陷波器课设

1、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书目录 第一章 摘要2 第二章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计过程2 2.1 设计意义 2 2.2 理论分析与设计 3 2.2.1 总体分析 3 2.2.2 具体分析与设计 4 2.3 参数计算 6 2.4 整体电路 8 第三章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试8 3.1 multisim 仿真原理图 83.2 multisim 仿真结果 9 3.2.1 仿真波形图9 3.2.2 仿真数据记录及简要分析12 第四章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计结论12 第五章 心得体会13 参考文献 14 第一章 摘要本说明书介绍了一种基于运算放大器的工

2、频信号陷波器的设计与仿真过程。简要地介绍了工频信号陷波器的设计意义和设计原理，设计采用从整体到部分的方法，先画出总体框图，再对每一个部分进行详细的分析与设计。然后，该说明书详细地介绍了该陷波器的参数计算和电路组成，通过multisim的仿真与测试，记录和分析了该陷波器的工作特性与陷波性能，论证了该陷波器的可行性。 关键字：运算放大器；陷波器；工频信号；仿真第二章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计过程2.1 设计意义陷波器也叫带阻滤波器，能保证在其他频率信号不损失的情况下，有效地抑制输入信号中某一频率的干扰。由于我国采用的是50HZ的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时，经常会存在

3、50HZ工频干扰，对于信号的处理造成很大的干扰。于是，很有必要设计50HZ的陷波器。此外，工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用，因此本次课程设计，使我们对现实中的很多装置有了进一步了解。2.2 理论分析与设计2.2.1 总体分析 陷波器的实现方法有很多，高性能的工频陷波器，它应能完全滤除工频信号。要获得这样高的性能，需要Q值很高的滤波器，而且调谐必须非常准确，而双T带阻滤波器的Q值接近到150，适合一般低频窄带滤波器设计。因此，本次设计采用电路比较简单，易于实现的双T型陷波器。基于运算放大器的工频信号双T陷波器设

4、计用以消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号，即设计中心频率分别为50Hz。采用子电路的方法，首先设计中心频率50Hz的双T带阻滤波器，再以放大单元消除传递函数的h0以达到获得原信号设计要求。通过示波器观察输入与输出波形，计算出衰减，进而检验该工频陷波器的性能。此双T带阻滤波电路分为四个独立的单元： 1. 输入信号； 2. 50Hz双T窄带陷波器； 3. 放大系数为K的放大单元； 4. 输出信号。 电路整体设计框图如图2.2.1所示。50H陷波器放大单元输出信号输入信号 图2.2.1基于运算放大器的工频信号陷波器整体设计框图2.2.2 具体分析与设计1.50HZ陷波器

5、分析与设计：图2.2.2a 50HZ陷波器设计图 如上图，是采用双T型带阻电路设计的50HZ陷波器。该电路的转移函数： ； 令； ； 将上式化成标准形式,则 其中有：令，可得： 所以双T型带阻电路的设计方程为： 2. 放大单元的分析与设计： 为了实现最后输出的是单位增益，所以放大单元的放大倍数，即,所以得出放大单元的设计方程为： 其设计图如下：图2.2.2b 放大单元设计图 2.3 参数计算 1.Q的计算：图2.3 带阻滤波器频率特性 如图，滤波器的中心频率和抑制带宽BW之间的关系为：为了满足要求，令带宽为1HZ，即BW=1HZ，因此Q=50HZ/1HZ=50。2.双T型陷波器相关参数计算：

6、由双T型50HZ陷波器的设计公式， 进行参数计算。 令C=C1=C2=1uF,得R=R1=R2=3.183k，C3=2C=2uF,R3=R/2=1.5915k。 由Q=50，可得R4/R5=0.99，令R5=10k，则R4=9.9k。3.放大单元相关参数计算：由可得H0=1.99由可得，K=1/1.99由放大单元设计公式：可得，R7=1.99R6令R6=10k，则R7=19.9k2.4 整体电路图2.4 基于运算放大器的工频信号陷波器整体电路图第三章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试 3.1 multisim 仿真原理图 经过第二章的分析与设计，采用multisim仿真的原理图如图3.1

7、。其中输入信号用函数发生器代替，可通过改变函数发生器的频率，来仿真不同频率通过的不同情况，通过观察示波器的输入与输出波形，来判断该陷波器的陷波性能。图3.1 multisim 仿真原理图3.2 multisim 仿真结果3.2.1 仿真波形图1.函数发生器频率为48HZ时： 图3.2.1a 函数发生器频率为48HZ时波形图2.函数发生器频率为49HZ时: 图3.2.1b 函数发生器频率为49HZ时波形图3.函数发生器频率为50HZ时: 图3.2.1c 函数发生器频率为50HZ时波形图4.函数发生器频率为51HZ时: 图3.2.1d 函数发生器频率为51HZ时波形图5.函数发生器频率为52HZ时

8、 图3.2.1e 函数发生器频率为52HZ时波形图3.2.2仿真数据记录及简要分析 仿真数据记录如下表：表1 =48Hz、49Hz、50Hz、51Hz、52Hz时数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差489.9999.854 -0.127 1.1094499.9999.029-0.8861.1765509.9990.003-70.4570.99785110.0008.841-1.0700.8340529.9979.646-0.3100.8786分析：当频率为48Hz或49HZ的信号通过陷波器时，由于频率小于50HZ，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为50Hz的信

9、号通过陷波器时，由于该频率等于中心频率，所以该信号衰减较多，不能通过陷波器。当频率为51Hz或52HZ的信号通过陷波器时，由于该频率大于50HZ，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。并且容易知道，越接近中心频率，衰减越多。注：本小节multisim仿真图中绿色（颜色较浅）是输出曲线，红色（颜色较深）是输入曲线。 第四章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计结论在Multisim软件平台上对不同频率的正弦波信号进行仿真分析可以知道，当输入信号的频率不等于陷波器的中心频率（50Hz）时，输入信号可以顺利通过，输出幅值略微有些衰减但不存在波形失真问题。但当输入信号的频率为50Hz时，输出信号幅值衰减

10、很大，此时，可以认为，该系列频率的信号通过陷波器时被滤掉了。据分析，输入信号为正弦波信号时，该陷波器能够滤掉50Hz的工频信号而对其余信号无影响。因此，在误差允许范围内，可以认为该陷波器符合设计要求。 此次设计的陷波器优点是：陷波性能良好，带宽较小，品质因数Q可调，即滤波性能便于调整，电路线路简单，具有实际应用价值。缺点是：对于元器件的参数要求高，需要仔细调节。第五章 心得体会 为期一周的测控电路课程设计转眼就结束了，虽然只有短短的几天，我却有了很多收获。 通过这次的课程设计，我初步学会了如何简单的使用Multisim软件，并且更加深刻全面的了解了工频信号陷波器的一般原理和基本的实现方法，通过理论与实践的结合，把死板的知识变得更加的生动有趣，使我对学习测控电路这门课程的学习兴趣浓厚了许多。同时我也明白了，即使知道了理论知识，在实践应有的过程中也会出现很多问题，我们必须让理论和实践相结合，这样才能真正的掌握一门知识。这次课设，让我学会了坚持和努力，这也将为我今后的学习和工作奠定一定的基础。而在课设中暴露的一些问题，今后一定要改正，不能