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二阶有源带通滤波器设计.docx

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.21M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    摘 要 在学习《模拟电子技术基础》的基础上，针对课程设计要求，设计一个通带 为 0.833KHz、中心频率为 5KHz、品质因素为 6、最大增益为 2 的带通滤波器， 选择有源滤波器的快速设计法为设计方案，计算出该方案需要的电阻、电容、运 算放大器参数，通过 Multisim 软件仿真和电路板的制作，对所选的方案进行调 试，验证方案的正确性，并将实际设计的滤波器与仿真得到的滤波器进行比较， 分析误差产生的原因。 关键字：带通；滤波器；快速设计法；Multisim 仿真；调试；分析误差 0
    目 录 引言······························································3 1. 设计任务及要求··············································3 2. 方案选择·····················································3 3. 二阶有源带通滤波器理论设计································4 3.1 简介····························································4 3.2 工作原理························································4 3.3 传递函数及性能参数··············································5 3.4 器件参数的选取··················································6 3.5 Multisim 仿真及仿真数据处理·····································6 4. 电路板的制作·················································8 4.1 原理图和 PCB 图的绘制············································8 4.2 电路板制作过程··················································9 5. 电路板的调试 ···············································10 5.1 调试的仪器·····················································10 5.2 调试过程及结果················································10 5.3 调试所遇到的问题···············································13 5.4 调试误差分析···················································13 6. 结论·························································13 谢辞······························································15 参考文献·························································16 附录······················································17 1
    引言 本论文主要讨论信号的处理电路，其中一种电路称为模拟滤波器，模拟滤 波器的主要功能是传送输入信号中有用的频率成分，衰减或抑制无用的频率成分， 本文主要研究由电阻、电容和运算放大器组成的有源带通滤波电路，其原理是通 过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很 小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该 模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来，把通带外的信号去除。 本论文介绍了使用查表归一快速设计有源滤波器的方法设计二阶有源带通 滤波器的详细步骤，并对设计过程中所要处理的数据及图像进行详细地列举、分 析。 1.设计任务及要求 1）设计一个模拟带通滤波器； 2）参数自定； 3）调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性； 2.方案选择 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者 抑制。这些网络可以由 RLC 元件或 RC 元件构成无源滤波器，也可以由 RC 元件和 有源器件（如集成运放）构成有源滤波器。由集成运放、R、C 组成的有源滤波 有不用电感、体积小、重量轻的特点，此外，由于集成运放的开环电压增益和输 入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲 作用，本因此次实验选择有源滤波器。 一个理想的滤波器应在要求的通带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外 则具有无穷大的衰减。然而实际的带通滤波器距此有一定的差距，为此采用各种 函数来逼近理想滤波器的频率特性。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应和 切比雪夫等波动响应，在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好，在给定带内 所允许的纹波差，则用切比雪夫响应比较好。 为了获得比较稳定的信号，选择具有巴特沃斯响应的二阶 RC 有源滤波器设 计方案。具有巴特沃斯响应的二阶 RC 带通滤波器的常用电路有电压控制电压源 电路和无限增益多路反馈电路。电压控制电压源电路中的运放为同相输入，输入 阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路， 其优点是电路性能稳定，增益易调。而无限增益多路反馈电路的中的运放为反相 输入，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路，故称无限增益多路反馈电路， 其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响。 为了使所设计的滤波器具有较好的增益可调性，选择电压控制电压源电路。 经过以上多方面的分析、比较，选出的方案为：设计一个具有巴特沃斯响应 的二阶 RC 有源带通滤波电路：电压控制电压源电路，采用最基本的二阶滤波器 快速的设计方法：查表归一快速设计有源滤波器的设计方法。 2
    3. 二阶有源带通滤波器理论设计 3.1 简介 带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围内的频率 分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟二阶有源带 通滤波器的例子是电阻-电容-集成运放电路，该类型滤波器对应的传递函数的分 母最高次幂为二，这类滤波器可以用低通滤波器和高通滤波器组合产生。 3.2 工作原理 模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对 频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻 抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提 取出来，把通带外的信号去除。 原理图 3.2 原理图 3.2 所示电路为二阶有源带通滤波电路，图中 R1、C1 组成低通网络， R3、C3 组成高通网络，两者串联就组成了无源带通滤波电路，图中在带通电路 的输出端再加上一个电压跟随器，使之与负载很好的隔离开，三者构成了一个简 单的二阶有源带通滤波电路，由于电压跟随器的输入阻抗很高、输出阻抗很低、 并且有电压放大功能的特性，将其改为同相比例放大电路如原理图 3.2 中所示的 接法即可实现对滤出的信号的电压进行放大，通过改变 R1、C1、R3、C2 的值， 可以调整带通滤波电路的中心频率，通过改变 R4、R5 的值可以调整带通滤波电 路的品质因素、增益和带宽。 原理图 3.2 所示电路有：电路简单，元件参数少，电路稳定性好，增益可调 等特点。 3 8 3 2 6 7 4 5 1 U 1 O P 0 7 C N - 1 2 V + 1 2 V 1 n F C 1 1 n F C 2 G N D G N D 1 2 P 2 G N D 1 2 P 1 G N D 1 2 3 P 3 G N D + 1 2 V - 1 2 V G N D R 4 R 5 R 2 R 1 R 3 1 2 P 1 1 1 2 P 1 2 1 2 3 P 1 3 + 1 2 V G N D - 1 2 V G N D G N D
    3.3 传递函数及性能参数 1）传递函数：原理图 3.2 所示带通滤波器的传递函数推导过程如下所述： 设流过 R1 的电流为 I(S),流过 C1 的电流为 I1(S),流过 C2 的电流为 I2(S),流过 R2 的电流为 I3(S),C1=C2=C, )( SV 1 )( SV i )( SV o )( SV  i R 1 )( SV 1 1 SC  )( SV 1 )( SA  )( SI  )( SI 1  )( SI 2  )( SV 1 )( SI 3  I  )( SI 1  )( SV p  1 SC  )( SV  o R 2 )( SI 2  )( SI 3 1  SCR 1 R 5  V O  R 5  )( SV i ， , 其中， )( SV 1  1  )( SV p  )( SV n  R 4 ,  R 5 R 4 将以上两式代入式子 )( SA  RR 2 1  2  CR 4  ( ), )( ), SISISI 3 1 R R  4 2 2 ( R  2 ( 2   2 2 S )( )( I SI SI   和 1 2 2 R SCR    2 4 2 CR RR    4 2 1  2 2）性能指标： Av——fo 处的电压增益 wo——带通滤波器的中心角频率 Q——品质因素 BW——带通滤波器的带宽 以上几个性能指标的计算公式分别为： 1   2 1( R 1  )1 R 2 ( BW  w o ) w o Q A v 2   CR 3 w o BW 1  或 R 5 R 4 f o BW  )( SI 3 中，解得： R 4 )  S 2 R 2  R 4 4
    3.4 器件参数的选取 本次带通滤波器设计方案是：二阶有源带通滤波器，故所需要的元件有电阻、 电容、集成运放。 首先，设定带通滤波器的性能参数： 1）中心频率为：fo=5KHz； 2）中心频率对应的最大增益为:Av=2； 3）品质因素为:Q=6。 其次，根据中心频率选择电容，由参考资料《基础电子电路设计与实践》4.5 节 RC 有源滤波器的设计的表 4.5.1 的内容，因为中心频率在 1KHz 至 10KHz 的范 围内，因此选择电容值为 C=0.01uF 的电容。 再次，根据所选的实际电容值以及公式 K=100/（fo*C）（其中 fo 的单位为 Hz；C1 的单位为μF）计算出电阻换标系数 K 的大小，通过计算，K=2。再由参考 资料《基础电子电路设计与实践》中的表 4.5.5 二阶带通滤波器（巴特沃斯响 应）设计表、滤波器参数和电阻换标系数，选择电阻，如原理图 3.2 所示，R1=19.0K Ω，R2=2.388 KΩ，R3=4.774 KΩ，R4=R5=9.548 KΩ,由于实际的电阻没有理论 需要的那么精确，为了使实际参数与理论参数尽量接近，所以所选的电阻均为精 调滑动变阻器，R1 的量程为 100 KΩ,R2 至 R5 的量程为 10 KΩ。 最后，选择的集成运算放大器为 op07。op07 的功能介绍为：op07 芯片是一 种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，由于其具有非常低的输入 失调电压（对于 op07A 最大为+2uV），所以 op07 在很多应用场合不需要额外的调 零措施。同时它具有输入偏置电流低（op07A 为+2nA）和开环增益高(对于 op07A 为 300V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 op07 特别适用于高增 益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。综合考虑 op07 芯片的各方面特 性，其正好符合有源带通滤波电路所需要的功能，故选择它作为电路中的同相比 例放大电路。 3.5 Multisim 仿真及仿真数据处理 1）仿真电路图如下所示 仿真电路图 3.4 5
    R2 2.388k¦¸ VCC XFG1 5 0 XSC2 Ext Trig + _ A + _ B + _ R1 19k¦¸ 1 0 2 C2 10nF C1 10nF R3 4.774k¦¸ 0 12V VCC 7 1 8 U1 3 2 OP07AZ VEE 4 6 -12V 4 VEE R5 9.548k¦¸ 3 R4 9.548k¦¸ 0 2)滤波器性能指标及元件参数的设定如下所示: 5KHz 性能指标及元件参数表 3.4.1 R1 R2 R3 R4 R5 2 2 6 0.833KHz 0.01uF fo K Av Q BW C XSC1 Ext Trig + _ A + _ B + _ 0 19K 2.388K 4.774K 9.548K 9.548K fo：中心频率，K：电阻换标系数，Av：中心频率处增益， Q: 品质因素，BW:滤波器带宽，Vi：输入信号峰峰值， fi:输入信号频率，Vo：输出信号峰峰值 3）仿真数据处理如下所示： 仿真数据表 3.4.2 fi/KHz 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.2 Vo/V 0.069 0.11 0.16 0.225 0.318 0.367 fi/KHz 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 Vo/V 0.425 0.508 0.61 0.749 0.934 1.222 fi/KHz 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 Vo/V 1.596 1.94 1.92 1.593 1.268 1.029 fi/KHz 5.8 6.0 6.2 6.4 6.5 6.6 6
    Vo/V 0.86 0.736 0.645 0.574 0.544 0.518 fi/KHz 7.0 7.4 8.0 8.6 9.0 9.5 Vo/V 0.435 0.376 0.314 0.272 0.25 0.227 fi/KHz 12.0 17.0 20.0 Vo/V 0.158 0.101 0.084 仿真数据表 3.4.2 对应的散点图如下所示： 仿真 Vo 与 fi 的关系图 3.4 仿真 Vo 与 fi 的关系图 3.4 表明，仿真的电路性能参数与理论设计的电路 性能基本相符。 4. 电路板的制作 4.1 原理图和 PCB 图的绘制 经过 Multisim 仿真软件对原理图 3.2 所示电路图进行仿真，验证了选择的 方案以及元件参数的设置的正确性，绘制的原理图及 PCB 图分别如下原理图 4.1、 PCB 图 4.2 所示： 原理图 4.1 7
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