通信電子線路課程設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　濾波器是一種能夠濾除不需要頻率的分量、保留有頻率分量的電路。工程上常用于信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和一直干擾等方面。利用計算放大器和無源器件（R、L、C）構成有源濾波器具有一定的電壓放大和輸出緩沖作用。按濾除頻率分量的范圍來分，有源濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。本文介紹介紹了有源濾波器的具體功能及特點，并利

2、用Multisim11.0軟件完成有源濾波電路的設計及仿真。</p><p>　　關鍵詞：有源濾波器 濾波器頻率 Multisim11.0</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Filter is to filter out frequency components do not need and t

3、o : retain a useful frequency components of the circuit. Projects commonly used in signal processing, data transmission and suppressing interference and so on. The active filter constituted by using operational amplifier

4、s and passive components (R, L, C) has certain effect of voltage amplification and output buffer. Frequency components by filtering the range to points, active filter can be divided into low-pass filter, high pass filt&l

5、t;/p><p>　　Keywords: Active Filter Frequency Multisim11.0</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>

6、;　　1.2 設計任務1</p><p>　　1.3 設計要求1</p><p>　　第2章 設計方案2</p><p>　　2.1 方案框圖2</p><p>　　2.2 子框圖的作用2</p><p>　　2.3 方案選擇2</p><p>　　第3章 設計原理與電路5<

7、/p><p>　　3.1 試驗原理5</p><p>　　3.1.1 原理圖設計6</p><p>　　3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)8</p><p>　　3.2 工作原理10</p><p>　　第4章 電路的組裝與調試11</p><p>　　4.1 Multisim電路圖

8、11</p><p>　　4.2 Multisim仿真分析13</p><p>　　第5章 設計總結17</p><p><b>　　附錄18</b></p><p>　　Protel原理圖18</p><p><b>　　PCB圖19</b></p&g

9、t;<p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　有源濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及對變化的無功進行補償

10、。顧名思義該裝置需要提供電源，其應用可克服 LC 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功。有源濾波器的通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小,利用級聯(lián)的簡單方法很容易構成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；但是通頻帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可

11、靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。</p><p><b>　　1.2 設計任務</b></p><p>　　1、學習二階有源濾波器的設計方法；</p><p>　　2、設計二階有源濾波器（低通、高通、帶通、帶阻）；</p><p>　　3、掌握有源濾波器的測試方法；</p><

12、p>　　4、測量有源濾波器的幅頻特性。</p><p><b>　　1.3 設計要求</b></p><p>　　1、分別設計二階有源低通、高通、帶通、帶阻濾波器電路，擬定測試方案和步驟；</p><p>　　2、在Multisim11.0里仿真電路；</p><p><b>　　3、繪制PCB圖。<

13、;/b></p><p><b>　　第2章 設計方案</b></p><p><b>　　2.1 方案框圖</b></p><p>　　圖2.1 RC有源濾波總框圖</p><p>　　2.2 子框圖的作用</p><p>　　1. RC網(wǎng)絡的作用</p>

14、<p>　　在電路中RC網(wǎng)絡起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。</p><p><b>　　2.放大器的作用</b></p><p>　　電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。</p>

15、<p>　　3.反饋網(wǎng)絡的作用 </p><p>　　將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡，反饋網(wǎng)絡分為正、負反饋。</p><p><b>　　2.3 方案選擇</b></p><p>　　濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。一個理想的濾波器應在要求的頻（通內具有均勻而穩(wěn)定

16、的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。</p><p>　　用運算放大器和RC網(wǎng)絡組成的有源濾波器具有許多獨特的優(yōu)點。因為不用電感元件，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點。由于運算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz~10

17、6Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-3~10~10-5）/攝氏度，頻率精度為+（3~5）%，并可用簡單的級聯(lián)來得到高階濾波器且調諧也很方便。</p><p>　　濾波器的設計任務是根據(jù)給定的技術指標選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術指標有通帶和阻帶之分，通帶指標有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡要介紹設計中的考

18、慮原則。</p><p>　　關于濾波器類型的選擇</p><p>　　一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，在這點上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當要求帶通濾波器的通帶較寬時，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好</p><p><b>　

19、　級數(shù)選擇</b></p><p>　　濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級階數(shù)之和。當要求的帶外衰減特性為dB每倍頻程（或dB每十倍頻程）時，則取級數(shù)n應滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/2

20、0)。</p><p><b>　　運放的要求</b></p><p>　　在無特殊要求的情況下，可選用通用型運算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運放的開環(huán)增應在80dB 以上。對運放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定。</p><p>　　如果濾波器的輸入信號較小，例如在10mV以下，則選低漂移運放。如果濾波器工作于超低頻

21、，以至使RC網(wǎng)絡中電阻元件的值超過100kΩ，則應選低漂移高輸入阻抗的運放。</p><p><b>　　元器件的選擇</b></p><p>　　一般設計濾波器時都要給定截止頻率fc (ωc)帶內增益Av，以及品質因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設計時經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之數(shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設

22、計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。</p><p>　　表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應關系</p><p>　　第3章 設計原理與電路</p><p><b>　　3.1 試驗原理</b></p><p

23、>　　幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。</p><p>　　由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同

24、，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)等四種濾波器，它們的幅頻特性如圖9－1所示。</p><p>　　具有理想幅頻特性的濾波器是很難實現(xiàn)的，只能用實際的幅頻特性去逼近理想的。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高。下圖為四種濾波電路的幅頻特性示意圖：</p><p>　　3.1.1 原理圖設計</p>&l

25、t;p><b>　　1.低通濾波器</b></p><p>　　低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。</p><p>　　如圖3.1.1.1（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。</p><p>　　圖3.1.1.1（b

26、）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。</p><p>　　(a)電路圖　 (b)頻率特性</p><p>　　圖3.1.1.1 二階低通濾波器</p><p><b>　　2.高通濾波器</b></p><p>　　高通濾波器用來通過高頻信號，衰減或抑制低頻信號。</p><p>　　將

27、圖3.1.1.1低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖3.1.1.2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應和低通濾波器是“鏡象”關系。</p><p>　　圖3.1.1.2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。</p><p>　　(a) 電路圖 (b) 幅頻特性</p><p>　　圖3.1.1.

28、2 二階高通濾波器</p><p><b>　　3.帶通濾波器</b></p><p>　　帶通濾波器的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。</p><p>　　典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成。如圖3.1.1.3（a）所示。本電路的優(yōu)點是改變Rf和

29、R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。</p><p>　　圖3.1.1.3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。</p><p>　　（a）電路圖　 　(b)幅頻特性</p><p>　　圖3.1.1.3 二階帶通濾波器</p><p><b>　　4.帶阻濾波器</b></p><

30、p>　　帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。</p><p>　　典型的帶通濾波器可以在雙T網(wǎng)絡后加一級同相比例運算電路構成。如圖3.1.1.4（a）所示。</p><p>　　圖3.1.1.4（b）為二階帶阻濾波器的幅頻特性曲線。</p><p>　　(a) 電路圖

31、 (b) 頻率特性</p><p>　　圖3.1.1.4 二階帶阻濾波器</p><p>　　3.1.2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)</p><p>　　由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號，因受運算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據(jù)頻率范圍可將其分為低

32、通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實現(xiàn)的，只能用實際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應和切比雪夫等波動響應。在不許帶內有波動時，用巴特沃斯響應較好，如果給定帶內所允許的紋波差，切比雪夫響應較好。</p><p>　　1.濾波器的傳輸函數(shù)</p><p>　　表3.1.2.1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表</p&g

33、t;<p>　　2.單元電路性能參數(shù)</p><p><b>　?。?）低通濾波器</b></p><p>　　二階低通濾波器的通帶增益</p><p>　　截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。</p><p>　　品質因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。</p>

34、;<p><b>　?。?）高通濾波器</b></p><p>　　二階高通濾波器的通帶增益</p><p>　　截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 </p><p>　　品質因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。

35、</p><p><b>　?。?）帶通濾波器</b></p><p><b>　　通帶增益 </b></p><p><b>　　中心頻率 　 </b></p><p><b>　　通帶寬度 　 </b></p><p&

36、gt;<b>　　選擇性 　　</b></p><p><b>　?。?）帶阻濾波器</b></p><p><b>　　通帶增益 　 </b></p><p><b>　　中心頻率 </b></p><p><b>　　帶阻寬度 　 0

37、</b></p><p><b>　　選擇性　 </b></p><p><b>　　3.2 工作原理</b></p><p>　　濾波電路是一種能使有用頻率通過，同時抑制無用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運算放大器、電容和電阻可構成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和

38、帶負載能力。由于受到集成運算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號能通過而高頻信號不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號能通過而該頻段之外的信號不能通過的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內，信號不能通過（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號則能順利通過。</p><p>　　

39、第4章 電路的組裝與調試</p><p>　　Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它提供了仿真實驗和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛筒糠謴婋婋娐返姆抡?、分析和設計。</p><p>　　Mu

40、ltisim是一種優(yōu)秀而易學的WDA（電子設計自動化）軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點就是提供了一個操作簡便且與實際相似的虛擬實驗平臺。他幾乎能對”電子技術”課程中所有基本電路進行虛擬實驗，虛擬實驗過程和儀器操作方法與實際相似，但比實際方便、省時。他還能進行實際無法或不便進行的試驗內容，通過儲存和打印等方法可精確記錄器實驗結果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實際工作狀態(tài)和性能。</p><p&g

41、t;　　應用Multisim，便于實現(xiàn)邊學邊練的教學模式，使“電子技術”課程的學習變得更有趣而容易。</p><p>　　4.1 Multisim電路圖</p><p><b>　　1.二階低通濾波器</b></p><p>　　圖4.1.1二階低通濾波電路</p><p><b>　　2．二階高通濾波器<

42、;/b></p><p>　　圖4.1.2二階高通濾波電路</p><p><b>　　3.二階帶通濾波器</b></p><p>　　圖4.1.3二階帶通濾波電路</p><p><b>　　4.二階帶阻濾波器</b></p><p>　　圖4.1.4二階帶阻濾波電路

43、</p><p>　　4.2 Multisim仿真分析</p><p><b>　　分析結果圖</b></p><p>　　1.二階低通濾波器電路</p><p>　　圖4.2.1（a）二階低通濾波器電路仿真顯示波形</p><p>　　所加輸入信號的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道

44、B如圖所示，其最最大電壓約為998mv，故輸出電壓的有效電壓值U0=0.998×0.707=0.705586v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=14.1。</p><p>　　圖4.2.1（b）二階低通濾波器電路仿真顯示幅度</p><p>　　分析上圖知電路的截止頻率在336Hz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設置存在偏差及兼顧通帶內阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的范

45、圍內。</p><p>　　2.二階高通濾波器電路</p><p>　　圖4.2.2（a）二階高通濾波器電路仿真顯示波形</p><p>　　所加輸入信號的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如圖所示，其最最大電壓約為1.116v，故輸出電壓的有效電壓值U0=1.116×0.707=0.789012v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=15

46、。</p><p>　　圖4.2.2（b）二階高通濾波器電路仿真顯示幅度</p><p>　　分析上圖知電路的截止頻率在1.513kHz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設置存在偏差及兼顧通帶內阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的范圍內。</p><p><b>　　二階帶通濾波器電路</b></p><p>　　圖4.2.

47、3（a）二階帶通濾波器電路顯示波形</p><p>　　所加輸入信號的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如圖所示，其最最大電壓約為6.238v，故輸出電壓的有效電壓值U0=6.238×0.707=4.410266v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=80。</p><p>　　圖4.2.3（b）二階帶通濾波器電路顯示幅度</p><p>

48、　　分析上圖知電路的截止頻率在1.042kHz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設置存在偏差及兼顧通帶內阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的范圍內。</p><p>　　4.二階帶阻濾波器電路</p><p>　　圖4.2.4（a）二階帶阻濾波器電路顯示波形</p><p>　　所加輸入信號的有效電壓V1=50mv，波形通道A和波形通道B如圖所示，其最最大電壓約為601

49、.455mv，故輸出電壓的有效電壓值U0=601.455×0.707=0.425012v；由以上分析知電壓放大倍數(shù)A=U0/V1=8.5。</p><p>　　圖4.2.4（b）二階帶阻濾波器電路顯示幅度</p><p>　　分析上圖知電路的截止頻率在18.267MHz左右。稍有偏差是由于電阻和電容的設置存在偏差及兼顧通帶內阻電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的范圍內。</p&

50、gt;<p><b>　　第5章 設計總結</b></p><p>　　本次信號與系統(tǒng)課程設計二階有源濾波器,通過理論推導、電路設計和電路仿真有效的結合起來，成功地運用運放、電阻和電容組成有源低通濾波器，高通濾波器，和帶通，帶阻濾波器并用Multisim11.0進行仿真。通過仿真可證實二階有源濾波器更能夠有效地濾除不需要頻率的分量、保留有頻率分量的電路；具有一定的電壓放大和輸

51、出緩沖作用。</p><p>　　本次信號與系統(tǒng)課程設計由于是個人獨立選定課題，所以在此過程的開始時基本上都是在自己獨立思考，同時又由于涉及所采用的仿真和設計軟件Multisim不是很熟悉，因此前一段時間多事在摸索中前進，當然付出終會有所收獲，本次綜合實踐讓我弄懂了很多之前感覺模糊的東西，同時也給我?guī)砹讼矏偢?，增加了我的自信心，當我看到自己設計的東西得到實現(xiàn)時，我心里充滿了喜悅。回想此次信號與系統(tǒng)課程設計過程中

52、經(jīng)歷的種種困難，遇到不明白的問題時，查找資料，請教老師的過程，所有的努力都指向一個明確的目標——確保設計的成功。此次信號與系統(tǒng)課程設計不僅讓我學到了不少東西，更讓我體會到了查找資料和請教老師的樂趣，感謝在整個過程中對我悉心指導的苗鳳娟老師，正是她的知道是我成功的完成本次信號與系統(tǒng)課程設計。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　

53、　Protel原理圖</b></p><p><b>　　PCB圖</b></p><p>　　低通濾波器 高通濾波器</p><p>　　帶通濾波器 帶阻濾波器</p><p>　　參考文獻

54、 [1] 彭介華.信號系統(tǒng)課程設計指導.北京：高等教育出版社，2011.</p><p>　　[2] 謝自美.信號系統(tǒng)設計·實驗·測試.3版.華中科技大學出版社，20

55、12.</p><p>　　[3] 童詩白、華成英.模擬電子技術基礎.4版.北京：高等教育出版社，2011.</p><p>　　[4] 陸秀令、韓清濤.模擬電子技術.北京：北京大學出版社，2012.</p><p>　　[5] 丁玉美，高西全．數(shù)字信號處理．西安電子科技大學出版社，2011，1：13-15</p><p>　　[6]

56、朱小龍,周剛.一種多功能有源濾波器電路仿真設計與分析[期刊論文]-安徽理工大學學報(自然科學版) 2012(02).</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　我的這篇信號與系統(tǒng)課程設計的完成，首先應當歸功老師。本次設計是在老師的指導下完成的。他開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次設計過程中我也拓展了許多了關于數(shù)字電路，模擬電路以及