模电课程设计多功能有源滤波

1、模拟电路课程设计报告设计课题： 多功能有源滤波器专业班级：学生姓名：学 号：指导教师：设计时间：题目：多功能有源滤波器一、设计任务和要求1 设计一个可以同时获得高通、 低通和带通三种滤波特性的滤波器， 通带 AV=1；2 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源 （12V）。二、方案设计和论证根据设计任务要求设计一个可以同时获得高通、 低通和带通三种滤波特性的滤 波器，并用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源 （ 12V），为运算电路提供偏置电源。1、直流电源部分电路可把 220V的交流电变成 +12V和-12V 的直流电源 , 电路图如图 1 所示。D6

2、7C5330nFC7220uFC6330nFC8220uF15U1LED_RED_RATEDU2LED_GREEN_RATED图 1 直流稳压电源1V1220 Vrms350 Hz0TS_A2kR1k2、多功能有源滤波器部分方案一用一个求和电路输出三个信号9再用三个 Ua741分别实现高通、 带通、 低通功能电路，其方框图如图 2 所示交流信号 源反向积分电路， 实 现低通反向求和电路， 实 现带通反向求和电路， 实现高通图 2 方案一原理方框图通过比例、求和、积分等若干基本运算电路组合，外接几个电阻，就可实现多功能有源滤波功能，用 3个 uA741，电容，电阻调节适当参数可实现，如图 3 所

3、示。图 3 多功能有源滤波器原理图方案论证由于要同时实现高通、带通、低通功能，方案一计算不方便，电路复杂，接线不方便，易接触电阻，增大误差，制作难度大。两种电路比较起来，方案二更好 , 所以我选择方案二。 三、单元电路设计和参数计算12V）。1 、桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源 其流程图如图 3。图 4 直流电源图原理分析：（1）电源变压器是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。由于要 产生 12V的电压，所以在选择变压器时变压后副边电压应大于 24V,由现有的器材可选变压后副边电压为 5

4、0V 的变压器整流电路：其电路图如 5图 5 整流电路图1)原理分析：整流电路将交流电压 Ui 变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。我所用的桥式整流电路由四只二极管组成， 其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内， 负载上的电压和电流方 向始终不变。2)单相桥式整流电路的波形图如图 6。图 6 单相桥式整流电路的波形图整流输出电压的平均值(即负载电阻上的直流电压 VL)VL 定义为整流输出电压 VL 在一个周期内的平均值，即设变压器副边线圈的输出电压为，整流二极管是理想的。 则根据桥式整流电路

5、的工作波形，在 Vi 的正半周，VL = V2 ，且 VL 的重复周期为 p ，所以滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容 C满足 RL-C(35)T/2 ，或中 T 为输 入交流信号周期， RL为整流滤波电路的等效负载电阻。图 7 滤波电路图稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电 压和负载的变化而变化。为了电路的安全，常在电路中加保护电路。对于本实 验的稳压电路中的保护电路，主要使用了集成块： 78 系列。直流电源的参数设计提供的是 220V 的交流电源要变为 12V 直流电， 变压器用 220V50V规格的，

6、 选的三端稳压器为： LM7812、LM7912，整流用的二极管可用 1N4007 ，电解电容 用 3300uf C3 和 C3可用 0.22Uf C5 和 C6 可用 0.33uF C7 和 C8 可用 220Uf 电容，发光二极管上的 R 用 1K 。2、多功能有源滤波器部分的参数设计设计要求同时低通、高通、带通三种滤波特性，该滤波电路可通过集成运放及 RC网络组成，即所选方案原理图如图 6 所示。多功能有源滤波器原理图图6由图可知，带通输出电压：U o2Uo1R3 SC1低通输出电压：UUo2o3Uo1R5 SC2R3R5S C1C2高通输出电压：U o1R2Uo3R4R2R2Ui (1

7、 )R1R1/ /R4 R6 R7R6R2U o2Uo1R4 R3R5S2 C1C2R2Ui (1R2 )R1R1 /R4 R6Uo1 1 R7 R3 SC1令 R2 R4 R7 R, R3 R5 Rf ， C1 C2 CUo1A1( w)R1Ui2Rf C22(1R1R/R)R61R6 R RfSC令 w0121Rf2C2(1 R1/ /R) R6 R则滤波电路高通频响特性方程为RU o1R1A1(w)wo12 1 wo1Ui1 wo211 wo1S2 Q S同理得出滤波电路的带通和低通频响特性方程为Uo3A3( w)UiR1S 1 Swo12 Q wo1Uo2A2(w )UiRR1S wo

8、1 1wo1 S Q由于设计要求通带放大倍数为 1， 只要满足带通放大倍数为 1，即再代入所以Uo3A3(w)Ui则可得1 (1 R QR1=11 S 1 S =12wo1Q wo1Q=1， R1 R)R6， R3R5RfR1 /R R6 R得 R6 R2取 R1 R2 R3 R4 R5 R7 10KRR65K （用两个2四、总原理图及元器件清单10K电阻并联得到）U4C1 C2 C 0.1uF1总原理图 如图 7 所示）D1 D2C113.3mFTS_AUDIO_10_TO_1D3D4图 7 总原理1N4007C123.3mFLINEVOLTAGECOMVREGMONVOLTAGELINEV

9、REGLM7812CTC3100nFC4100nFU5LM7912CT330nF220uFC6330nFC8220uF11 R9 1k30U1LED_RED_RATED0R81k38图2元件清单（1）直流电源部分表1直流37D5R210k4 U7R310kR410kC110nFR510k C210nF125kR6 775 7415 741R7U2LED_GREEN_RATED电源元件清单元件序号型号主要参数数量备注（价钱）变压器50V19.6 元三端稳压器AN7812(JRC)11元三端稳压器AN791211.2 元电阻R1、R21K20.1 元电容3.3mf 50v21.5 元电容220uF

10、21元电容0.1uF20.1 元中号焊接电路板12元二极管1N400760.1 元发光二极管LED1LED220.3 元总计价格18.4 元2）多功能有源滤波器部分表 2 多功能有源滤波器元件清单元件序号型号主要参数数量备注（价钱）uA74131元中号焊接电 路板12元电阻10K80.1 元底座30.5 元电容瓷片电容0.01uF20.1 元总计价格6元五、安装和调试1、安装：按电路图布局好电路，之后焊接好电路板。2 、调试（ 1） 静态调试 用万用表对电路板进行静态测试，目的主要是为了防止虚焊或者漏焊。（ 2） 动态调试接好电路，利用函数信号发生器、数字毫伏表以及示波器来验证多功 滤波器的功

11、能。1 ）高通的调试输入信号为 1V，改变其频率，使得输出电压也为 1v，则此放大倍数为 1， 减小频率使得输出的电压为输入的 0.707 ，则此时的频率为截止频率 fL 2 ）带通的调试同样输入电压为 1v，改变其频率，使得输出和输入相等为 1v，则此时的 频率为中心频率，减小频率使得输出的电压为输入的 0.707 ，则此时的频率为截 止频率 fL ，增大其频率，使得输出的电压为输入的 0.707 倍时，则此时的频率 为上限截止频率 fH ，改变频率，从小到大，记录毫伏表的输出电压和信号发生 器的频率。3）低通的调试输入信号为 1v，改变其频率， 使得输出等于输入为 1v，则此时的放大倍数

12、也为 1，增大其频率，使得输出的电压为输入的 0.707 倍时，则此时的频率为上 限截止频率 fH 。六、性能测试和分析1. 桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源仿真大小 , 如图 8，图 9 所示。图8 直流电源仿真图 9 直流电源仿真输出电压2. 多能有源滤波波形图及仿真数据（1）输入 5V、60HZ信号，输入波形及各部分滤波电路的输出波形如图图 10 输入波形及低通输出波形图 11 高通及带通输出波形2）输入信号 5V， 10KHZ信号输入波形及各部分滤波电路的输出波形图 12 输入波形及低通输出波形图 13 高通输出波形及带通输出波形（3）当输入为 0.5V 时，可

13、得高通、带通、低通滤波输出波特图 , 如图 14,15,16 所示。图 14 高通滤波输出波特图图 15 带通滤波输出波特图图 16 低通滤波输出波特图3实验数据（ 1）直流电源正电源： +11.8V 负电源： -12V（2）稳压管 7812两端电压： 9.5V 稳压管 7912两端电压： 9.47V（3）多功能有源滤波电路（1）高通的输出电压测试输入信号 Ui=0.5V ，改变频率测输出电压 （0.707Ui=0.356V） ，测试数据如表 3 所示。表 3 高通的输出电压测试数据频率 Hz50k30k10k4k输出电压 v0.4840.4910.5080.532频率 Hz3k2k1.737

14、k1.5k输出电压 v0.4910.390.3650.327频率 Hz1.0k900800750输出电压 v0.2820.1460.0610.048频率 kHz700输出电压 v0.0122)带通的输出电压测试输入信号 Ui=0.5v, 改变频率测输出电压 (0.707Ui=0.356V) ，测试数据如表 4 所示。表 4 带通的输出电压测试数据频率 Hz200500700900输出电压 v0.1130.1240.2370.356频率 kHz11.21.51.713输出电压 v0.3710.4290.4730.503频率 kHz22.833.5输出电压 v0.4310.3560.3100.28

15、7频率 kHz4.04.556输出电压 v0.2580.2220.1530.1283)低通的输出电压测试输入信号 Ui=0.5V ，改变频率测输出电压 (0.707Ui=0.356V) ，测试数据如表 5 所示。表 5 低通的输出电压测试数据频率 Hz5070100200输出电压 v0.4870.4910.5040.510频率 Hz5001k1.547k1.7k输出电压 v0.4940.3910.3650.354频率 kHz22.533.5输出电压 v0.3260.2850.2410.127频率 kHz5输出电压 v0.0474)由表 3,4,5 可知高通电路下限截止频率为 f L =1.73

16、7kHz带通电路中心频率为 fo=1.713kHz, 上限截止频率为 fL =900Hz,下限截止 频率为 fH =2.8kHz低通电路上限截止频率为 fo=1.547kHz4. 误差计算及分析（ 1）直流电源电压误差计算 2=（12-11.8）/12*100%=1.67%3=（-12+12）/20*100%=0（ 2）高通 截止频率误差计算 =（-1.644+1.737）/1.737*100%=5.35%（ 3）带通 中心频率误差计算 =（1.713-1.613）/1.713*100%=5.84%（ 4）低通 截止频率误差计算 =（1.547-1.488）/1.547*100%=3.81%（

17、5）由于焊接技术有限，可能导致测量数据有误差。（6）由于焊接使用的元器件值均非标准值有一定误差。（7）由于数字毫伏表测试数据不稳定，导致误差。七、结论和心得1、 结论 （1）通过整流、滤波、稳压电路可把交流电变为稳定的直流电源。 （2）通过比例、求和、积分等若干基本运算电路组合，外接几个电阻，就可得 到低通、高通、带通滤波电路。2、 心得体会开始课程设计时， 感觉很困难， 其实很怕这种动手能力强的课程。 从开始学 习模电开始，就一直很畏惧， 感觉自己很不擅长理科方面的东西， 特别是跟物理 相关的课程。所以，刚看到自己的题目时，一下子懵了，然后通过网上查资料、 图书馆查找相关书籍以及和组员一起讨

18、论终于把课程设计的作品和文稿完成。通过这次课程设计，进一步熟悉 multisium 软件的使用，加深对滤波电路原 理的理解， 也通过这次的课程设计多了和同学之间的沟通和交流， 学会了团队合 作。总之，这次很高兴， 虽然花了很多时间、 精力，但是完成了这次的课程设计， 做出了实现功能的作品， 算是一次真正的动手能力的测试， 真正的把知识运用于 实践。八、参考文献1电工电子实践指导 （第二版），王港元主编，江西科学技术出版社（2005）2电子线路设计、 实验、 测试（第二版），谢自美主编， 华中理工大学出版社 （2000） 3模拟电子技术基础清华大学电子学教研组编 童诗白 华成英 编4. 电子实验和课程设计赣南师范学院物理和电子信息学院5. 电子技术课程设计指导湖南大学 彭介华 主编物理和电子信息学院 模拟电路课程设计 成绩评定表专业：电子信息工程 班级：10 电信本学号：姓名：课题名称 多功能有源滤波器设 计 任 务 和 要 求1 设计一个可以同时获得高通、低通和带通三种滤波特性的滤波器，通 带 AV=1；2 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源 （12V）。设 计 报 告 成 绩评分标准： 有合理的方案设计和论