二阶压控型低通、高通、带通、带阻滤波器的设计.docx

比石油大老课程设计薛程电3俵一徐合锦程世行目有源滤波器微行院系电3科1一院专业班班电孑倍息工程14-3老女姓名苗,忠航老或名号140901140308猾导教师塾速2016年7月14日东北石油大学课程设计任务书课程电子线路综合课程设计题目有源滤波器设计专业电子信息工程14-3姓名陈忠昕学号140901140308主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：利用运算放大器组成有源低通、高通、带通、带阻滤波器。基本要求：1 .通频带自定义；2 .测量设计的有源滤波器的幅频特性；3 .选用通用运算放大器，运放的开环增益应在80dB以上；4 .采用MUItiSiln软件进行仿真，验证和完善设计方案；5 .按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。主要参考资料：1童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.2陈明义.电子技术课程设计实用教程（第3版）M.长沙：中南大学出版社，2010.3程春雨.模拟电子技术实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2016.完成期限2016年7月14日指导教师专业负责人2016年7月5口一、任务技术指标1 .二阶压控型有源低通滤波器（LPF）设计一个二阶压控型有源低通滤波器，要求特征频率f°=100kHz,Q=I;2.二阶压控型有源高通滤波器(HPF)设计一个二阶压控型有源高通滤波器,要求特征频率fo=100Hz,Q=l；3 .二阶压控型有源带通滤波器（BPF）设计一个二阶压控型有源带通滤波器,要求中心频率为fo=5KHz,Q=2；4 .二阶压控型有源带阻滤波器设计一个二阶压控型有源带阻滤波器，要求中心频率为f°=100Hz,Q=2；二、总体设计思想设计滤波电路实现，让指定频段的信号能比较顺利地通过，而对其他频段信号起衰减作用。如低通滤波电路能使低频信号顺利通过，而使高频信号受到抑制。常见的无源滤波有RC滤波，但RC滤波电路中的电阻会消耗信号能量，所以我们用放大电路和RC网络组成有源滤波电路，以提高滤波性能。1. 二阶压控型有源低通滤波器（LPF）电将简单二阶有源低通滤波电路中G的接地端改接到集成运放的输出端，形成反馈。如图1所示，对于反馈信号而言，电容G具有超前作用，而电容C?=具有滞后作用。因此只要参数合适，可使该电路在。附近的反馈极性为正，又不致造成自激振荡，从而使f。附近的电压放大倍数得到提高。当f<<f。时，电容G阻抗大，反馈信号弱，对电压放大倍数影响不大。当f>>f。时信号被C2衰减，输出电压的幅值小，反馈信号弱，对电压放大倍数影响也不大。1）通带电压放大倍数通带电压放大倍数是f=0时输出电压与输入电压之比。而对于直流信号而言，电路中的电容相当于开路，因此通带电压放大倍数Aup=l+-(I)；RI2)传递函数集成运放同相输入端的对地电压与输出电压的关系是U+(s)=“(H),U÷(s),tp与M点的电位关系是U÷(S)=Um(s)(III)»Um(s)-U+(S) . z ., =U (IV),1+sCR由节点电流法可得"s；M(S)-Um_Us)sC-将(I)()(III)式联立求解，可以得到传递函数4=1+ (3-A)sCR + (sCR)2(V)o该式表明此电路的通带电压放大倍数应该小于3,否则AU将有极点处于右半s平面或虚轴上，电路不能稳定工作。若希望%>3,可采用二阶无限增益多路反馈LPF。3)频率特性将传递函数中的S换成j<o,并令coo=2tfo=,则有Au=-F.RCIv+j(3Y产当f=fo时可化简为A“二=a_(VI)o7(3A)2. 二阶压控型有源高通滤波器(HPF)图3二阶压控型有源高通滤器有源高通滤波器与有源低通滤波器成对偶关系，如图2所示幅频特性曲线、传递函数与LPF成对偶关系。若HPF和LPF的通带截止频率相同，那么HPF和LPF的幅频特性以垂直线f=fp为对称,二者随频率的变化是相反的,HPF的IAUl随频率升高而增大。将LPF传递函数中的S换成!，调整一下系数，则变成了相应的HPFs的传递函数。所以，可以得到1)通带电压放大倍数当频率足够高时，电容G和C?可视为短路，因此HPF的通带电压放大倍数为Aup=Ih；R2)传递函数根据对偶关系，将LFP传递函数中的SCR换为一，则得到HPF的传递函数sCRAm(S)A.t112l+ (3-A,)+ () sCR sCR整理得4(sCR)Aup- + (3-ulf)sCR + (sCR)3）频率特性将Au(S)=1+ (3 - A«p)F (SCR SCR费中的s换成js,并令GO= 2fo = ,则有 RCA A 印"学 +jG - A“吟所以f<<f.时幅频特性的斜率为+40dB十倍频。通带电压放大倍数应小于3,否则 将引起自激振荡。3.二阶压控型有源带通滤波器（BPF）图4-二阶压控型有源带通滤皮器简单的BPF可以由LPF和HPF串联构成，只需满足LPFd通带截止频率高于HPF的通带截止频率。这样构成的BPF通带较宽，通带截止频率容易调整，但所用的元器件较多。在二阶LPF电路中，RC网络是由两节RC组成的，若将其中一阶RC电路改为高通接法，就构成了二阶BPF。D传递函数)=(1+-)t÷Rl.rR2u+=-.Um(s)+sCR-Ui(S) UM(S).use一半祖+/?2R3=OsCsCR* Auf，且Rz=2R=2R 则 Aw=2，其中，Aiif=1+1+(3A”)SCR+(SCR)R2）中心频率和通带电压放大倍数1+ j3-Auf*4"3 Auf将传递函数中的S换成j3,并令/0=!,则可得2RC当f=f。时，AU的模最大，此时有中心频率f。，通带电压放大倍数为Aw=3-3A«f注意：BPF中，通带电压放大倍数不等于同相比例电路的电压放大倍数。3）通带截止频率将当4=11+ j3-A*含中第一项分母的虚部系数的绝对值等于13 Au/时，|a|=*Ap，所以通带截止频率力可根据下式导出:I=1»得到fp(3-At(f)+4÷(3-Auf)4）通带宽度B、Q值和频率特性BPF的通带宽度3=危-启=（3-AQo=（2-及）o,那么可得。=&二一!一RB3-Auf频率特性包=上面一段话表明，改变电阻Rf或RI可以改变通带宽度而不影响中心频率，Q值越大,BPF的通带宽度越窄，选择性越好。4.二阶压控型有源带阻滤波器（BEF）从幅频特性可知，LPF和HPF相并联可以构成BEF,但这样并联比较困难且元器件过多，于是我们常先将两RC网络（无源低通滤波和无源高通滤波）并联构成无源带阻滤波器，然后将其与集成运放构成有源BEF,又被称为双T网络。1)通带电压放大倍数当频率足够高或等于O时，BEF的电压放大倍数就是通带电压放大倍数，为Au.=1H；R2)传递函数根据a,b处的节点电流法可得Ui(s)-Ua(5)sC-U吧;U吧_-u+(亦C=O-R2Ui(sy-Ub(s)_*2sC-ubu+=O,输入端电流可视为零，所以输入端电容和电阻RR中的电流相等，有Ug)-U+sC=UtR，又因为U+(S)=J-U矶S),将上述四个等式联立求解可得该电路传递函数为Aup1+(SCR)2八Au(S)=T不AO+2(2-Aup)sCR+(sCR)23)中心频率将传递函数中的S换成j3,并令加=2tfo=,则可得RC1-(工)24=-7-*A即1一(工-)+2(2-t)-/«当f=f。时，AU的模最小，值等于零。4)通带截止频率及阻带宽度根据化简传递函数得12(2-4”)工经”|=1,解得两截止频率fo-fp启=(2-Ahp)2+1-(2-Al)ofp2=J(2-Aq,)?+1+(2At)fo得到阻带宽度3=亦2-启=2（2-AQfo三、具体设计1 .设计电路1）二阶压控型有源低通滤波电路设计电路中，由R和C确定特征频率f0的值，而通带电压放大倍数AUP的值由RI和R1确定。此外，电路还应满足集成运放两个输入端外接电阻的对称条件RwRf=R2+R3=2R;要求特征频率f°=100kHz,Q=I。先选择C=IonF,则由/°=!可得R=159.16。则取R=160Q已知通带电压放2RC大倍数Aup=2,联立RHRf=R?+Ry=2R和公式AuP=1+,可以解得R1=Rf=640QOR于是根据以上参数在multisim上仿真电路，电路图如图6所示：2）二阶压控型有源高通滤波电路设计先选择C=IonF,则由/0=一可得R=159154.943Q则取R=159kQ已知Q=I,2rRC3)二阶压控型有源带通滤波电路设计要求中心频率为5KHz,Q=2的带通滤波器。先选择OloOnF,则根据仆=!可2成C得R=318.310Q取R=318Q再计算Rl和Rf的值，。=!一=2,则AM=2.5,代入3AufAmp=I+-,再联立R&=R=2R,则可选取R=I.G,R=LOMl,串联一个RR1=2R-(R1R1)=0.6Q以满足对称条件以上参数在multisim上仿真电路，电路图如图8所示:抑制一定范围的交流干扰，要求BEF的中心频率为fo=lOOHz,选C=IOUF,则根据o=-J-可得R=159.155,取R=160。再计算R1和R1的值，2RCQ=!=2,则A=1.75,代入A叩=1+色，再联立RJR=2R,则可选取2(2Aup)RIRf=560,Rl750。仿真如图9所示图9-BPF电路2 .仿真及仿真结果分析D二阶压控型有源低通滤波电路仿真及分析图Io-LPF电路增益分析由图10可知，电路增益约为2,达到要求。由图11可知，当f=IOHz时,增益为6.IdB;当f=f=66.343kHz时,增益达到最大增益8.298dB;当f=f0=100.103kHz时，增益为4.701dB;当f=ft=405.387kHz时，增益为-19.134dB.2）二阶压控型有源高通漉波电路仿真及分析由图12可知，电路增益约为2,达到要求。ua-xsc时基通道A通道B触发米度：ISoOUS/DM1刻度：|1WtMv刻度：5Vm边沿：叵EEJBExlK轴位移（格）：oIY轴位移（格）：|。IY轴位移（格）：oI水平:oI丫一WT1添加B/AA/BI交流IO育澹力洁n诱1.I单次Ii一自动天.图12-HPF电路增益分析由图13可知，当f=fo=5.106kHz时，增益为4.619dB;当增益为0.7倍4.169dB时，有f=264.46kHz和fY=83.034Hz。3）二阶压控型有源带通滤波电路设计示SXSC1时基通道A通道8触发乐度：50哗刻度：5丝!刻皮:卜丝!边沿：叵t囚叵（轴位移（格）：o|Yal位移（格）：|OIY轴位移（格）：o|水平:o|vYI添加B/AA/BI交流I0宜洸V>SnS>S-I单次I正常自有）无图14-BEF电路增益分析由图14可知，电路增益约为2,达到要求。由图15可知，当f0=5kHz时，增益为7.377dB;力二jQ（3_4/）2+4±（3-3“/）可知,九%6.4kHz时增益为7.683kHz；fL=3.9kHz4）二阶压控型有源带阻滤波电路设计由图16可知，电路增益约为2,达到要求。时基通道A通道B触发示度：500usDv刻度：15V/DW_刻度：IlVMI边沿：©'因BExt（轴位移（格）：WY轴位移（格）：0_丫轴位移（格）：P）I水平：0IVY添加B/AA/BI交流I0直流皮漆0直流-空次正常自动无图16-BPF电路增益分析由图17可知,当fo=lOOHz时，增益为-3L894dB;当f128Hz时增益为1.919dB;f1=78Hz时，增益为L715dB0四、结论滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制（或衰减）无用频率信号的电子电路或装置，在工程上常用它来进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。有源滤波器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，但因受运算放大器频率限制，这种滤波器主要用于低频范围。精品本次设计主要是在所学模拟电子技术基础、数字电路基础等专业知识的基础上研究和设计几种典型的二阶有源滤波电路：压控型二阶有源低通滤波电路、压控型二阶有源高通滤波电路、压控型二阶有源带通滤波电路、压控型二阶有源带阻滤波电路，研究和设计其电路结构、传递函数，并对有关参数进行计算，再利用IDUltisim软件进行仿真，组装和调试各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，本次设计的二阶有源滤波器各测量参数均与理论计算值相符，通频带的频率响应曲线平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零,衰减率可达到-40Db10oct,滤波效果很理想。四种有源滤波电路之间可以相互转换，将LPF中起滤波作用的RC对调即变为HPF,将LPF和HPF串联，调整参数即为BPF,将LPF和HPF并联则可得到BEFo精品参考资料1童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M北京：高等教育出版社，2006.2陈明义.电子技术课程设计实用教程（第3版）M.长沙：中南大学出版社，2010.3程春雨.模拟电子技术实验与课程设计W.北京：电子工业出版社，2016.4程勇.实例讲解MUItiSim10电路仿真M.北京:人民邮电出版社，2010.5龚晶、刘斌、陈军.RC有源滤波器实验与仿真研究J.南京：解放军理工大学理学院.东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称电子线路综合课程设计题目名称（学生填写）学生姓名（学生填写）学号（学生填写）指导教师姓名（学生填写）职称（学生填写）序号评价项目指标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师:2016年7月15日如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合!