光電子線路課程設(shè)計(jì)--模擬濾波器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　光電子線路課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　———模擬濾波器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)： </b></p>

2、<p>　　時(shí)間：2011年9月5日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　引言……………………………………………………… 03</p><p>　　正文……………………………………………………… 03</p><p>　　設(shè)計(jì)要求……………………………………… 0

3、3</p><p>　　設(shè)計(jì)過程……………………………………… 04</p><p>　　手工計(jì)算設(shè)計(jì)…………………………… 04</p><p>　　計(jì)算機(jī)仿真……………………………… 05</p><p>　　實(shí)際連接與調(diào)試………………………… 06</p><p>　　帶通濾波器設(shè)計(jì)過程

4、…………………… 07</p><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果分析與反思…………………………… 11</p><p>　　結(jié)論…………………………………………………………… 11</p><p>　　致謝…………………………………………………………… 11</p><p>　　參考資料…………………………………………………… 11&l

5、t;/p><p><b>　　光電子線路課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　——模擬濾波器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（南京理工大學(xué)）</b></p><p>　　摘要：本文詳細(xì)介紹了一種二階有源模擬濾波器的設(shè)計(jì)過程和調(diào)試方法。給定設(shè)計(jì)參數(shù)，依照所給的電阻電

6、容數(shù)值，合理選取電路元件和濾波器結(jié)構(gòu)，以滿足設(shè)計(jì)要求。其設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)部分，首先進(jìn)行手工計(jì)算選取合適的元件值，初步滿足設(shè)計(jì)要求；然后在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上利用Multisim軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，獲得設(shè)計(jì)電路的頻響特性，并與手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，觀察差異并分析原因；最后實(shí)際搭建電路，測(cè)量電路的頻響特性并適當(dāng)調(diào)整元件參數(shù)值，以滿足設(shè)計(jì)要求，并與計(jì)算和仿真結(jié)果相比較，觀察差異并分析原因。</p><p>　　關(guān)鍵詞：模擬濾波；

7、 二階有源； 頻響特性；低通帶通；仿真 </p><p><b>　　引言</b></p><p>　　光電信號(hào)大多是微弱的電信號(hào)，而噪聲信號(hào)一般都較大。同時(shí)，在信號(hào)的處理、放大、傳輸及光電探測(cè)器本身等各個(gè)環(huán)節(jié)中，也很容易引進(jìn)干擾信號(hào)。在嚴(yán)重情況下，這些干擾信號(hào)會(huì)淹沒有用信號(hào)，以致無法測(cè)量。在這種情況下，除了采取有效的抗干擾措施之外，采用信號(hào)濾波技術(shù)是提高信噪比（S/

8、N）行之有效的方法。</p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　利用以下所提供的元器件，設(shè)計(jì)一個(gè)二階有源模擬濾波器。對(duì)于低通濾波器，要求其上限截止頻率f為1kHz，且增益盡量為2倍。若是高通濾波器，則其下限截止頻率f為500Hz。對(duì)于帶通濾波器，要求

9、中心頻率f為1kHz，帶寬△f≤50Hz，盡可能使上升沿下降沿對(duì)稱，增益盡量為為2倍。</p><p>　　電阻：47 56 75 300 330 430 470 510 （Ω）</p><p>　　1 1.5 3 4.7 5.1 7.5 10 11 15 20 </p><p>　　33 43 47 51 68 180

10、 300 470 （kΩ）</p><p>　　電容：0.001 0.01 0.1 1 0.0022 0.022 0.22 0.015 0.033 0.33 0.047 0.47 4.7 10 22 47 33 100 220 (μF)</p><p>　　6800 (pF)</p><p>　　741集成運(yùn)算放大器一片、面

11、包板一塊、導(dǎo)線若干</p><p>　　儀器儀表：數(shù)字萬(wàn)用表一塊、示波器一臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)、穩(wěn)壓電源一臺(tái)</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)過程</b></p><p>　　2.2.1 手工計(jì)算設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于低通濾波，可利用運(yùn)放組成有限增益可控的有源二階低通濾波器。其電路結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。<

12、;/p><p>　　圖 2.1 有限增益二階低通濾波器電路圖</p><p>　　為計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，利用節(jié)點(diǎn)電流法，有：</p><p><b>　?。ü?.1）</b></p><p><b>　　可得其傳遞函數(shù)為</b></p><p><

13、b>　?。ü?2.2）</b></p><p><b>　　對(duì)比兩式可得</b></p><p><b>　　（公式 2.3）</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，取R=330Ω，C=0.47μF，可滿足要求，其實(shí)際截止頻率f=1026.1Hz，取R3=R4=10kΩ，則增益H0為2倍。</p>

14、;<p>　　2.2.2 計(jì)算機(jī)仿真</p><p>　　將2.2.1中得到的元件數(shù)值和電路在Multisim中進(jìn)行仿真。其電路圖如圖2.2。</p><p>　　圖2.2 各元件參數(shù)及仿真電路</p><p>　　對(duì)電路進(jìn)行交流分析（AC Analysis），獲得其頻響特性曲線如下：</p><p>　　圖2.3 仿真低通頻響

15、曲線</p><p>　　由圖2.3可知最大輸出電壓為10V，已知輸入電壓設(shè)為5V，所以增益滿足H=2倍。同時(shí)，在10／1.414處，對(duì)應(yīng)的頻率f=1.27kHz，還是存在較大偏離。從曲線可以觀察到從200到1kHz之間，輸出幅值有一個(gè)上升的小坡，其影響到實(shí)際的輸出值。若取輸出最大幅值而非100Hz處幅值，則截止頻率將會(huì)更接近1kHz。另外還可觀察到，當(dāng)頻率超過10kHz之后，濾波器阻帶抑制特性將會(huì)變差。<

16、/p><p>　　2.2.3 實(shí)際連接與調(diào)試</p><p>　　將上文所設(shè)計(jì)的電路在面包板上連接好，檢查無誤后接通電源，集成運(yùn)放采用±12V供電。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，觀察示波器的波形并記錄輸出電壓。當(dāng)R1=R2=330Ω時(shí)，取100Hz時(shí)電壓為峰值電壓，得截止頻率為1300Hz，確實(shí)偏離過大，但與仿真吻合的較好。根據(jù)公式2.3可知，可以適當(dāng)增大R1和R2的值，來減小截止頻率的

17、值。當(dāng)R=（330+27）Ω時(shí)，截止頻率為1150Hz，當(dāng)R=（330+56+27）Ω時(shí)，截止頻率為1042Hz，誤差為4%，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　當(dāng)R=413Ω，輸入信號(hào)電壓為3V時(shí)，改變輸入信號(hào)頻率，記錄輸出電壓如下：</p><p>　　表2.1 低通頻響輸出電壓</p><p>　　根據(jù)記錄的頻響輸出電壓數(shù)據(jù)，作出其頻響曲線如下：</p&

18、gt;<p>　　圖2.4 實(shí)測(cè)低通頻響曲線</p><p>　　觀察曲線可知其輸出滿足低通特性，且當(dāng)f=100Hz時(shí)，Vpp=6.20V，增益為2倍左右，當(dāng)Vo=4.32V時(shí)，f=1042Hz，即為截止頻率。同時(shí)還可以觀察到在通帶部分有一個(gè)小的起伏，并不是很平坦，這也是需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，可以通過增大系統(tǒng)的阻尼系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。此外，在超過20kHz之后，可以通過數(shù)據(jù)表格看出其阻帶抑制能力下降，輸出波

19、形幅度上升。</p><p>　　2.2.4 帶通濾波器設(shè)計(jì)過程</p><p>　　圖2.5 帶通濾波器電路圖</p><p>　　帶通濾波器采用圖2.5所示連接方式。由其節(jié)點(diǎn)電壓方程可求得其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（公式 2.4）</b></p><p>　　為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取C

20、1=C2=C，R1>>R2，上式經(jīng)化簡(jiǎn)成為標(biāo)準(zhǔn)形式：</p><p><b>　?。ü?2.5）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　（公式 2.6）</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，f=1000Hz，BW=Δf

21、=50Hz，且增益H0=2倍，代入公式2.6進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)所給的元件值，最終可選：</p><p>　　C=0.1μF R1=7.5kΩ R2=75Ω R3=（10+10+10）kΩ</p><p>　　根據(jù)以上參數(shù)得到仿真電路如下：</p><p>　　圖2.6 帶通仿真電路</p><p>　　在Multisim1

22、1.0中選取相應(yīng)參數(shù)元件，連接好電路，采用交流分析（AC Analysis），獲得帶通電路的頻響曲線如下圖。</p><p>　　圖2.7 仿真帶通頻響特性曲線</p><p>　　由仿真結(jié)果可知，當(dāng)f=1000Hz時(shí)，濾波器輸出最大值Vo=6.775V，以0.707Vo作為截止頻率電壓值，可得上下限截止頻率分別為f1=942.5Hz，f2=1090Hz，基本在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。</p&

23、gt;<p>　　在面包板上搭建以上參數(shù)的電路，步驟同低通濾波器設(shè)計(jì)。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，在示波器上觀測(cè)輸出信號(hào)的波形和幅度，并記錄成表。</p><p>　　表2.2 帶通頻響輸出電壓</p><p>　　依據(jù)以上數(shù)據(jù)表格，描點(diǎn)作出實(shí)際頻響曲線如下：</p><p>　　圖2.8 帶通實(shí)測(cè)頻響曲線</p><p>　　從

24、數(shù)據(jù)記錄表格可以看出，當(dāng)取f=990Hz，對(duì)應(yīng)最大電壓為Vo=3.44V，以0.707Vo作為截止電壓，可查得上下截止頻率分別為f1=925Hz，f2=1060Hz，除了范圍略大些之外，對(duì)稱性還是比較好，但增益只有1.15，主要就是由于是窄帶濾波器，其高通和低通衰減相互疊加，致使通帶部分衰減較大。</p><p>　　根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可知其基本滿足設(shè)計(jì)要求，但仍有不足之處?？梢酝ㄟ^調(diào)整電路元件的參數(shù)來進(jìn)行修正。

25、根據(jù)公式2.6，減小R2的阻值，將會(huì)使Q值增大，衰減加快，從而縮小濾波器的通帶帶寬BW。在減小R2阻值的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整R3的阻值，可以使中心頻率f接近1000Hz。此外，減小R1的阻值，可以使增益H增大，不斷調(diào)整并直至H為2倍即可。</p><p>　　所以，在實(shí)際電路中按照以上原則，不斷進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，就可以達(dá)到所要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。不過，由于當(dāng)時(shí)的客觀條件限制，我沒有進(jìn)行這一步的操作，請(qǐng)老師見諒！</p&g

26、t;<p>　　2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析與反思</p><p>　　觀察設(shè)計(jì)過程，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果會(huì)有一定的偏差，但是差別不算太大，主要是由于手工計(jì)算的一些近似以及仿真時(shí)采用實(shí)際元件模型引入誤差，導(dǎo)致略微的偏差；</p><p>　　相對(duì)而言，實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果則與計(jì)算仿真結(jié)果相差較大。主要是由于元器件實(shí)際值與標(biāo)稱值的差異較大。當(dāng)時(shí)選用的1kΩ電阻，用萬(wàn)用表測(cè)量，其實(shí)際值

27、只有960Ω。其次，電路連接方式、環(huán)境因素以及儀器儀表等都會(huì)造成誤差；</p><p>　　觀察仿真頻響曲線和實(shí)測(cè)頻響曲線，都可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)f>10kHz時(shí)，其阻帶抑制能力下降，輸出幅度開始呈上升趨勢(shì)。這是由于采用了集成運(yùn)放等元件，其工作頻率范圍一般都要求小于1MHz，否則會(huì)造成電路特性變壞。因此，對(duì)于有源濾波器，其一般使用場(chǎng)合是中低頻段，至于高頻段，則一般使用無源濾波器；</p><p&

28、gt;　　在實(shí)際搭建電路過程中，有一些問題需要引起注意。對(duì)于集成運(yùn)放芯片，要分清引腳關(guān)系，順序不可弄反。其供電采用正負(fù)12V電壓，要注意穩(wěn)壓電源的連接方式。此外，信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓要調(diào)整合適（一般為3V），否則輸出波形在示波器上會(huì)發(fā)生失真；</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　通過本次光電子線路課程設(shè)計(jì)，即模擬濾波器設(shè)計(jì)，我掌握了濾波器設(shè)計(jì)

29、的</p><p>　　基本原理和設(shè)計(jì)方法，通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真以及實(shí)際電路的搭建，并加以調(diào)試過程，達(dá)到了較為理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　感謝在此設(shè)計(jì)過程中給予我悉心指導(dǎo)的老師和熱情幫助的同學(xué)！</p><p><b>　　參考資料</b>&l

30、t;/p><p>　　【1】何兆湘.光電信號(hào)處理.華中科技大學(xué)出版社.2008</p><p>　　【2】Arthur B.Williams.電子濾波器設(shè)計(jì).科學(xué)出版社.2008</p><p>　　【3】付文紅.EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn).機(jī)械工業(yè)出版社.2007</p><p>　　【4】徐天成.信號(hào)與系統(tǒng).電子工業(yè)出版社.2008</p>