资源描述
2011 2012 学年 第 二 学期RC有源滤波器的设计 课程设计报告题目：RC有源滤波器的设计专业：自动化班 级：10 自动化（2）姓 名：乐夏安培雷指导教师：江春红电气工程系2012年5月25日1、任务书课题名称RC有源滤波器的设计指导教师（职称）江春红执行时间2011 2012学年第 二 学期 第14 周学生学号承担任务乐1009111114RC有源低通滤波器的设计夏安1009111092RC有源咼通滤波器的设计培1009111102RC有源带阻滤波器的设计雷1009111130RC有源带通滤波器的设计1、学习RC有源滤波器的设计方法；2、掌握有源滤波器的测试方法；设计目的3、测量有源滤波器的幅频特性。1、由运算放大器组成有源低通、高通、带通、带阻滤波器。设计要求2、通频带小于 12000。3、测量设计的有源滤波器的幅频特性。4、 选用通用运算放大器，运放的开环增益应在80dB以上。摘要随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用围极广， 具有较强实践 性的技术基础课程。电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革， 为了培养学生 的动手能力，更好的将理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势， 我们 必须通过对本次课程设计的理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程、自动控 制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波 器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。 用集成电路 实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有 了很大的提高。滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器器 的原理以及结构设计一个能够低通、高通、带宽、阻带等多种形式的滤波器。我们通 过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。在达到课题要求的前 提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的元件，焊 接出具体的实物，并在实验室对事物进行调试，观察效果是否与课题要求的性能指标 作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。目录第一章RC有源滤波器总方案设计51.1 方案框图51.2 子框图的作用51.3 方案选择5第二章RC低通有源滤波器的设计72.1低通滤波器的电路设计 72.2低通滤波器的设计原理 72.3 参数选择72.4 仿真72.5 小结9第三章RC高通有源滤波器的设计 103. 1高通滤波器的电路设计 103.2 高通滤波器的设计原理 103.3 高通滤波器的设计参数113.4 仿真113.5 小结12第四章RC带通有源滤波器的设计 144.1 RC有源带通滤波器的设计 144.2 C有源带通滤波器的设计原理144.3 参数计算144.4 仿真144.5 小结16第五章RC带阻有源滤波器的设计 185.1 有源带阻滤波电路的设计 185.2 有源带阻滤波电路的设计原理 185.3 参数计算185.4仿真185.5小结20总结与体会21参考文献21附录22答辩记录及评分表23第一章总方案设计1. 1方案框图1.2.子框图的作用1 . RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取 上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。2 . 放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3 同相放大器具有输入 阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。3 . 反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端， 称为反馈，其中的电路称 为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。1. 3. 方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。 一个理想的滤波器应在要 求的频（通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 的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特 性。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电 感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大 等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输入电阻低，所以能提供一定的信 号增益和缓冲作用，这种滤波器的频率围约为10-3HZ106H z,频率稳定度可做到（10-31010-5） /摄氏度，频率精度为+ （35） %并可用简单的级联来得到 高阶滤波器且调谐也很方便。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。 滤波器等的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的 说明时一般为 -3dB 截止频率） ，通带传输系数。 阻带指标为带外传输系数的衰减速 度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。1. 关于滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单， 但带外传输系数衰减慢， 一般在对带外衰减性要求不 高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点 上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤 波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好2. 级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。 每一阶低通或高通电 路可获得 -6dB 每倍频程（ -20dB 每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获 得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特 性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十 倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6（或n大于等于m/20）。3. 运放的要求在无特殊要求的情况下， 可选用通用型运算放大器。 为了满足足够深的反馈以 保证所需滤波特性，运放的开环增应在 80dB 以上。对运放频率特性的要求，由其 工作频率的上限确定，设工作频率的上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式： BWGt于等于（3-5）AefH，式中为滤波通带的传输系数。如果滤波器的输入信号较小，例如在 10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波 器工作于超低频，以至使 RC网络中电阻元件的值超过100kQ，贝U应选低漂移高输 入阻抗的运放。4. 元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc （c）带增益Av，以及品质因数Q（二 阶低通或高通一般为 0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制 元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者 自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容 难配，而电阻易配，可根据工作频率围按照表 初选电容值。第二章 RC 有源低通滤波器的设计简单一阶低通滤波器2.1 有源低通滤波器的电路设计：设计一阶有源低通滤波器的实际电路如下图姐hmi VW幢側贰加R11 R?图2-1 简单一阶低通滤波器2.2 一阶有源低通滤波器的设计原理：传递函数：Aj(S)=Uo(S)/U i(S)=(1+R2/Ri)Up(S)/U i(S)=(1+R/Ri) 1/(1+sRC)用jw取代s,且令f=1/2piRC,得出电压放大倍数：AU=(1+R2/Ri) 1/(1+jf/f 0)其中fo称为特征频率。令f=0 ,可得到通带放大倍数Au=1+R/Ri2.3参数计算集成运放：OPAMP 3T VIRTUAL参数选择：电容C=0.01uffH=1/2piRC R=16取R仁R2=1Q2. 4仿真1. 一阶有源低通滤波器在 multisim中的仿真图如下:1 M0F1 心*图2-22. 输入输出波形如下:图2-3A通道是输出波，输入的为正弦波；B通道是输入波，输出的也为正弦波3. 相频特性如下：厂方式图2-44.幅频特性如下:图2-52.5小结：在设计有源低通滤波器时，由于没有参数要求，所以本次课题设计中选择了常用一阶电路，选择的截止频率为1000HZ通过示波器得到的波形，发现输入和输出是频率相等的正弦波。在幅频特性曲线中，可以 看出一阶低通滤波器的过渡带较宽，阻带衰减太慢，幅频特性的最大衰 减斜率仅为-20db/十倍频，所以我们可以知道低通滤波器的选择性较差。第三章RC有源高通滤波器压控电压源二阶高通滤波器的设计3.1压控电压源二阶高通滤波器的电路设计：设计压控电压源二阶高通滤波器的实际电路如下图图3-1 压控电压源二阶高通滤波器O o U3.2二阶高通滤波器的设计原理：1.电路的传递函数：2.电路的通带放大倍数:3 电路的截止频率:4. 电路的品质因素:3.3参数选择：Rf=5.1k QR1= 5.1k QC=0.01uFR=10kQ计算得：Ao=2 f c=3120HZ3.4仿真图3-22.输入输出波形如下：图3-33.幅频特性如下:图3-44 相频特性如下:图3-55. 小结：该高通滤波器的通频带的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则 逐渐下降为零。从图中可以看出截止频率与理论计算值误差很小，所以本方案可 行。第四章 RC 有源带通滤波器 无限增益多路反馈 高通滤波器的设计4.1 RC 有源带通滤波器的设计设计多路反馈高通滤波器电路图如下Hi图4-1多路反馈高通滤波器4.2 多路反馈高通滤波器的设计原理：Auf =错误！未指定书签。=1+错误！未指定书签当C=G=C, Ri=R=R, R2=2R时，电路的传递函数A u(s)=A uf(s)(SRC/1+3-Au f(s)SRG+SRGA2)错误!未找到引用源。4.3参数选择Ri=3kQ R2=1.5k QR3=300 Q R4=1.5k QR5=40k QC1=C2=0.01uF4.4仿真 1.二阶高通滤波器在 multisim中的仿真图如下:图4-22.输入输出波形如下:图4-33.相频特性如下:图4-44.幅频特性如下:上截止频率：图4-5F截止频率：图4-65.小结由此电路可知，电阻R1与C组成低通滤波器，后面一个电容 C与电阻R2组成高 通滤波器，二者串联在一起组成带通滤波器。除此之外，R4与Rf组成同相比例运算电路，R3则是为改善电路特性而引入的反馈。带通滤波器只允许在某一个通频带围的信 号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。注意：要 将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。第五章RC有源带阻滤波器5.1 RC有源带通滤波器的设计设计多路反馈高通滤波器电路图如下：10KAVV_ _ _ * Ml图5-15.2 多路反馈高通滤波器的设计原理:中心频率fo=1/2 n RC;带宽 f 2-f 1=2 (2-Kf);增益 K f=1+R/Rf；Q点 Q=1/2(2-K f);5.3参数选择R=R=2R=78k;C=C=C3/2=1.OnF ;R=R=10k R 4=R=8k;5.4仿真1.二阶高通滤波器在 multisim中的仿真图如下:图5-22. 输入输出波形如下:图5-32幅频特性如下：下截止频率:图5-4上截止频率：图5-53. 相频特性如下:图5-64. 小结：有源带阻滤波器的设计，难点在于确定电路图，我设计的方案必须自己构思不能和 课本上的一样，在经过一系列的查询和思考后才确定了该方案，在仿真中也有一些相 位失真，说明这个有源带阻滤波器的方案还有需要改进的地方， 外围电路中的电阻电 容值还不够好。但限于时间和能力，只能做成这个样子。并且我也从中收获了不少的 东西。不过我觉得总体上应该没太大的错误吧 虽然设计原理不是自己的，但是通过 本次设计对有源带阻滤波器有了更为深刻的认识了，收获颇多 ！总结与体会经过一个星期的时间，从任务分配，阅读相关文献，搜索资料到最后编写，在紧而有序的氛围中完成了课题。第一次接触到此类课题， 感觉无从下手。 一方面， 由于长时间没有接触到此类问 题的原因；另一方面，就是我们小组对RC有源滤波器各方面知识的欠缺。在查找各相关 文献后得知： 滤波器在通信测量和控制系统中都有广泛的应用。 一个理想的滤波器应 在要求的频通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。 当然实际 的滤波器据此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。本次课题为RC有源滤波器低通，高通，带通和带阻的设计。任务量虽然不多， 但设计时却比较棘手， 再把电路图设计好后， 我们还需要对各器件设置一定的参数使 其控制在课题给定的要求围。 最后，进行仿真。 从仿真中得出的结果来验证这些参数 的准确性。 整个过程度比较繁琐， 单靠个人来完成就更加困难了， 所以需要一个小团 队来共同完成。 从中我们也体会到了团队合作的力量和乐趣， 也学会了很多书本以外 的知识。此次课题的制作也在一定程度上增强了我们的动手能力和从茫茫文献中提取有 用知识的能力， 从中我们也认识到了自身专业知识的欠缺， 今后需要更加努力。 整个 过程虽累但并快乐着！参考文献1电子线路设计实验测试华中科技大学。2. 模拟电子技术基础 康华光 高等教育。3. 模拟电子技术胡宴如 主编 高等教育。4. 模拟电子技术基础童诗白，华成英 主编 高等教育。附录滤波器电阻k Q电容卩F截止频率（计 算值）HZ截止频率（实 际值）HZ通频带误差%低通R=16R1= R2=1C=0.01fp=1000fp=1065小于10656.01高通Rf=5.1R仁 5.1R=10C=0.01fc=3120f c=3280大于32804.87带通R=3R=1.5R=0.3R4=1.5Rs=40C=0.01C2=0.01fL=1010 f h=2067fL=1065 f h=2254f bw=11898.29带阻R仁78R2=78R3=39F5=R=10R=R=8Ci=1.0 n fC2=1.0 n fC3=0.5 n f21140 f h=3900fi=1128 f h=4020f bw=28922.98答辩记录及评分表课题名称答辩教师（职称）答辩时间学年第学期第周答-1亠辩记录评分表学生学号评分
展开阅读全文