電子工藝課程設(shè)計--中頻信號濾波放大整形及移相電路設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計</p><p><b>　　（說明書）</b></p><p>　　中頻信號濾波放大整形及移相電路設(shè)計</p><p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書</p><p>　　課 程 名 稱 電子技術(shù)綜合課程設(shè)計 &l

2、t;/p><p>　　課程設(shè)計題目 中頻信號濾波放大整形及移相電路設(shè)計 </p><p>　　課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：</p><p>　　一、設(shè)計說明與技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　設(shè)計一個高通濾波放大、整形和移相電路。實際工作中輸入信號一般由傳感器產(chǎn)生，本次設(shè)計采用函數(shù)發(fā)生器給出。輸出信號要求整形為是方波信號，

3、以便CPU的后續(xù)信號采集和處理。濾波放大電路建議采用TI公司的FilterPro，這是一款很好的濾波器設(shè)計軟件。整形電路建議采用施密特觸發(fā)器。移相電路自己選擇方案。</p><p><b>　　技術(shù)指標(biāo)如下：</b></p><p>　?、俑咄V波器設(shè)計參數(shù)：通帶增益Ao=25db，通帶頻率fc=200kHz，通帶增益紋波Rp=1db，截止帶頻率fs=200k Hz，

4、截止帶衰減-10dB。 </p><p>　?、谠O(shè)計一個整形電路，將濾波后的信號整形為方波。</p><p>　?、墼O(shè)計一個200kHz方波信號移相電路，相移范圍：0-180°。</p><p><b>　　二、設(shè)計要求</b></p><p>　　1．在選擇器件時，應(yīng)考慮成本。</p><

5、p>　　2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。</p><p>　　3．畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。</p><p><b>　　三、實驗要求</b></p><p>　　1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路，用軟件仿真。</p><p>　　2．進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。&

6、lt;/p><p><b>　　四、推薦參考資料</b></p><p>　　1. 童詩白，華成英主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年</p><p>　　五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告</p><p>　　成績 指導(dǎo)教師 日期

7、 </p><p><b>　　一、概述</b></p><p>　　實際中的用途：本設(shè)計在實際中主要用于對中頻信號進(jìn)行整形，濾波，放大及移相。生活中我們所接收到的信號，它并不是可以被我們直接觀察和分析的，而是只有在通過一定的電路使之進(jìn)行放大、濾波、整形輸出以后，才可以變成是讓我們可以進(jìn)行分析和觀察的處于穩(wěn)定狀態(tài)的信號。所以說對于一般的信號，必

8、須經(jīng)過有整流電路、濾波電路、放大電路組成的功能模塊以后才會變成是對人類觀察研究有益的信號。</p><p>　　設(shè)計思路：一、設(shè)計濾波放大電路并進(jìn)行仿真，觀察波形是否滿足要求。二、運用555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，通過調(diào)試得到方波。三、設(shè)計移相電路，采用分頻器分頻，后運用雙D觸發(fā)器做移位寄存器進(jìn)行移位。</p><p>　　基本原理：運用高通濾波器對中頻信號進(jìn)行濾波，將不符合要求的

9、信號濾掉，將符合頻率的信號進(jìn)行放大，后用施密特觸發(fā)器整形成方波，最后在進(jìn)行分頻移相。</p><p>　　設(shè)計方法：信號的濾波和放大部分是通過FilterPro軟件得出，信號的整形部分是通過斯密特觸發(fā)器進(jìn)行整形完成的，移位采用分頻后D觸發(fā)器移位。</p><p>　　報告組成：封面，任務(wù)書，報告三大部分。其中報告分為概述，方案論證，電路設(shè)計，性能的測試，結(jié)論，性價比，課設(shè)體會及合理話建議，

10、參考文獻(xiàn)九部分組成。</p><p>　　本實驗最終實現(xiàn)了設(shè)計初的目的，對中頻信號放大濾波，并通過斯密特觸發(fā)器將輸出的波形整形成方波，最后對200kHZ方波進(jìn)行0-180°移相。</p><p><b>　　二、方案論證</b></p><p>　　主要設(shè)計方案就是一個可以將中頻正弦信號放大濾波后轉(zhuǎn)換為方波信號的電路，并對方波進(jìn)行0-

11、180°移相。</p><p>　　電路設(shè)計總方案：用濾波放大電路把固定頻段的中頻信號過濾出來并進(jìn)行放大，再通過555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器使信號整形為方波信號，最后進(jìn)行方波0-180°移相。555構(gòu)成的施密特電路連接簡單且性價比高；運用D觸發(fā)器進(jìn)行移相，波形失真較小且電路復(fù)雜度一般。</p><p>　　原理框圖如圖1所示。</p><p>　

12、　圖1 中頻信號濾波放大整形及移相電路的原理框圖</p><p>　　基本方案：把信號發(fā)生器產(chǎn)生的中頻正弦信號經(jīng)過濾波電路過濾，只留下需要的信號。根據(jù)設(shè)計要求過濾掉不符合設(shè)計要求的信號需要設(shè)計一個高通濾波放大電路，根據(jù)參數(shù)通帶增益Ao=25db，通帶頻率fc=200kHz，截止帶頻率fs=200k Hz。這樣設(shè)計出來的電路就可以過濾出所要求的中頻信號，且頻率不變，符合要求。接下來是由555芯片組成的施密特觸發(fā)器

13、，濾波電路之后的信號進(jìn)入到施密特觸發(fā)電路，可以將正弦波轉(zhuǎn)化為同頻率的方波。最后是移相電路，首先用分頻器將二倍整形后方波的頻率進(jìn)行分頻，將其作為D觸發(fā)器的時鐘信號，控制200kHZ方波移相。</p><p>　　設(shè)計基礎(chǔ)：555芯片，便于連接，操作簡單，引腳較少排列連接便于記憶，并且在數(shù)字電子課上接觸過。TI公司的FilterPro，這是一款很好的濾波器設(shè)計軟件。通過這些參數(shù)設(shè)計出需要的電路，其中所用的電阻的阻值和

14、電容的容抗都會在軟件設(shè)計的電路中體現(xiàn)出來。最后將設(shè)計出的電路圖由Multisim軟件進(jìn)行仿真，前面加上函數(shù)信號發(fā)生器，后面加上由555電路搭成的施密特觸發(fā)電路，最后加上設(shè)計好的移相電路，這樣，仿真電路就完成了。此電路可以將信號發(fā)生器的信號過濾放大整形成同頻率的方波信號，并可以移相。有仿真結(jié)果知：可以實現(xiàn)預(yù)期的要求，但存在一定誤差。</p><p>　　科學(xué)性：本次電路的主要設(shè)計是通過FilterPro軟件實現(xiàn)的，

15、這款軟件是穩(wěn)定的，因此具備科學(xué)性；可行性：本電路的大部分參數(shù)都是通過軟件得出的，一部分?jǐn)?shù)據(jù)是通過自己的反復(fù)調(diào)試得出的，參數(shù)環(huán)境符合要求，具備可行性；有效性：本電路由五部分組成，第一部分發(fā)射信號，第二部分對信號進(jìn)行過濾放大，第三部分對信號進(jìn)行整形，第四部分對方波進(jìn)行移相，第五部分濾波器觀察波形，滿足課設(shè)要求。</p><p><b>　　三、電路設(shè)計</b></p><p&

16、gt;<b>　　1.放大濾波電路：</b></p><p>　　放大電路選用通帶增益Ao=25db，通帶頻率fc=200kHz，通帶增益紋波Rp=1db，截止帶頻率fs=200k Hz，截止帶衰減-10dB。就可以完成系統(tǒng)對信號濾波放大的要求。</p><p>　　高通濾波放大電路（圖2）： </

17、p><p>　　圖2 放大濾波電路</p><p>　　其中左端為輸入端，右端為輸出端，輸入的是模擬信號，輸出的也是模擬信號。輸入信號為200kHz振幅為100mVp的正弦模擬信號，通過以上公式計算出電路圖中元器件的數(shù)值，然后在multisim環(huán)境下仿真，在截止頻率為200kHz左右時，截止帶衰減-10dB。計算公式： </p>&l

18、t;p>　　其中： ,通帶增益： </p><p>　　截止角頻率： </p><p><b>　　截止頻率： </b></p><p>　　2. 施密特觸發(fā)器電路：</p><p>　　電路具有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓；與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不同，施密特觸發(fā)器屬

19、于“電平觸發(fā)型”電路，不依賴于邊沿陡峭脈沖。利用它在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。其設(shè)計電路圖如下（圖3）</p><p>　　圖3 施密特觸發(fā)電路</p><p>　　其中THR和TRI接信號的輸出端，同時也是施密特觸發(fā)器的輸入端，輸入為模擬信號，OUT端口接輸出端，輸出的波是數(shù)字信號。</p><p>

20、<b>　　3.移相電路：</b></p><p>　　方案一：用RC構(gòu)成一級移相電路，該電路優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，缺點是在調(diào)節(jié)相位時，移相角度不大于90度，而且波形幅度的幅度發(fā)生變化，特別是移相角度不大于90度不能滿足實際需要。</p><p>　　RC一級移相電路(圖4):</p><p>　　圖4 RC一級移相電路</p>

21、<p>　　如圖為RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)，，，其中。即調(diào)節(jié)R或C，可以使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生0-90°的相移。</p><p>　　方案二：用RC構(gòu)成多級移相電路，該電路結(jié)構(gòu)符合移位的需求，可以在0-180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相移，但是波形會發(fā)生嚴(yán)重衰減。</p><p>　　方案三：利用全通濾波電路來構(gòu)成移相電路，該電路可以在0-180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相位，且幅度基本不變化。

22、電路圖如下（圖5）</p><p>　　圖5 全通濾波電路</p><p><b>　　，，其中。</b></p><p>　　由此可以看出，二階全通濾波電路可以產(chǎn)生0-180°相移。</p><p>　　方案四：在分頻電路末端使用D觸發(fā)器對方波進(jìn)行移相。</p><p>　　表1

23、 移相方案對比表格</p><p>　　RC移相電路構(gòu)造簡單但生成波形會有較大失真。全通濾波電路可以進(jìn)行在0-180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相位，波形失真較小且幅度基本不變化，但構(gòu)造復(fù)雜。經(jīng)考慮選擇方案四。（圖6）</p><p><b>　　圖6 分頻移相</b></p><p>　　首先將200kHZ的整數(shù)倍方波信號輸入到十六進(jìn)制計數(shù)器74

24、161進(jìn)行分頻，其時鐘信號的輸入頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該輸入信號的頻率，這樣才可以準(zhǔn)確的分頻。為使結(jié)果更精確，則采用三塊74161元件。通過分頻得到的不同頻率信號作為時鐘信號輸入到D觸發(fā)器中，由于D觸發(fā)器屬于邊沿觸發(fā)器，則通過不同的時鐘信號會發(fā)生不同的寄存移相。</p><p><b>　　四、性能的測試</b></p><p>　　1. 放大濾波電路測試：</p>

25、;<p>　　表2 濾波放大電路整體參數(shù)</p><p>　　圖7 由Filterpro軟件得到的高通濾波放大電路圖</p><p>　　運用Multisim 13進(jìn)行的高通濾波放大電路如下（圖8）：</p><p>　　圖8 高通濾波放大電路</p><p>　　200kHz振幅為200mVp的正弦模擬信號，通過上述放大

26、電路后，其輸出波特圖如下（圖9）：</p><p>　　圖9 200kHz正弦波波特圖</p><p>　　觀察波特圖左下角的數(shù)據(jù)，說明放大器的設(shè)計是正確的。</p><p>　　示波器的輸出波形如下（圖10）：</p><p>　　圖10 放大濾波后圖像</p><p>　　其中正弦波為輸入信號的波形，通道A是輸

27、入正弦波的波形，通道B是經(jīng)過整形放大器輸出的波形。</p><p>　　2. 整形電路測試：</p><p>　　整形電路圖如下（圖11）：</p><p>　　圖11 整形電路圖</p><p>　　放大后正弦波經(jīng)過整形電路后變?yōu)橥l率方波如下（圖12）：</p><p>　　圖12 正弦波整形為方波圖樣<

28、/p><p>　　輸入通道為A通道，輸出通道為通道B，采用5V電源供電，輸出波形為理論的波形。與預(yù)期相符合。</p><p>　　3. 分頻，移相性能測試</p><p>　　分頻移相電路圖如下（圖13）：</p><p>　　圖13 分頻移相電路圖</p><p>　　D觸發(fā)器輸入端通以上級整形后200kHz方波，觀

29、察兩示波器圖樣。</p><p>　　分頻電路結(jié)果圖如下（圖14）：</p><p>　　圖14 400kHz分頻圖像</p><p>　　A通道為200kHz方波圖像，B通道為400kHz分頻圖像。</p><p>　　移相電路結(jié)果圖如下（圖15）：</p><p>　　圖15 200kHz方波移相</p&

30、gt;<p>　　A通道為移相前200kHz方波，B通道為移相后200kHz方波，由測試結(jié)果看，達(dá)到課設(shè)要求。</p><p>　　4．電路整體性能測試</p><p>　　表3 電路整體輸出輸入關(guān)系</p><p><b>　　五、結(jié)論</b></p><p>　　本課程設(shè)計是針對中頻信號放大濾波整形及

31、對整形后的方波進(jìn)行0—180°相位的任意改變。根據(jù)性能測試結(jié)果來看，由于放大濾波電路是由Filterpro軟件給出，只要在其軟件上輸入指定的參數(shù)值即：通帶增益Ao=25db，通帶頻率fc=200kHz，截止帶頻率fs=200k Hz，就可以的出相應(yīng)的電路，并經(jīng)過實驗基本上實現(xiàn)了設(shè)計要求。整形部分運用由555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，參考數(shù)電書上的電路圖用555芯片和電容搭建出了施密特觸發(fā)電路并結(jié)合仿真，進(jìn)行多次調(diào)試，從測

32、試結(jié)果上來看除了信號的峰值改變了以外，準(zhǔn)確的將正弦波轉(zhuǎn)換成了方波，基本實現(xiàn)了整形的目的，但存在著一定的誤差。對于移相電路，運用分頻器和D觸發(fā)器，對于這兩種器件來講，自身就存在一定的誤差，加上整形電路帶來的誤差，難免會在一定程度上出現(xiàn)與理論值不太相符的現(xiàn)象，但在整體上來看，基本上實現(xiàn)了設(shè)計的要求。</p><p><b>　　六、性價比</b></p><p>　　對于

33、本次實驗設(shè)計，對中頻信號放大濾波整形及移相。在性能上來看，電路基本可以實現(xiàn)對中頻波的放大濾波整形及移相。就價格上來講，此設(shè)計運用到了運算放大器，就LM324來講0.46元/PCS；555芯片市場平均價個不超過0.50元/PCS；74161N計數(shù)器平均2.00元/PCS；D觸發(fā)器品均0.75元/PCS?？傮w上來看，此實驗設(shè)計的性價比是比較高的了。</p><p>　　七、課設(shè)體會及合理化建議</p>

34、<p>　　通過近兩周的課設(shè)，讓我受益匪淺。在拿到課設(shè)題目時，大腦一片空白，沒有半點思路。通過對課題要求的理解以及提供的參考文獻(xiàn)，得知這是對模電與數(shù)電的綜合應(yīng)用。之后，在圖書館借閱了相關(guān)資料開始學(xué)習(xí)起來，并運用網(wǎng)上資源也學(xué)到不少，比如說運算放大器的選擇、施密特觸發(fā)器的用途、波形移相的方法以及認(rèn)識到不同波形本質(zhì)上的區(qū)別。就本課題中對方波移相來說，是我最頭痛的一塊，書上與網(wǎng)上根本沒有具體的說法，能找到的只有正弦波的移相，但運用在方

35、波上就出現(xiàn)失真的狀況，這一塊就花費了我整整一個星期的時間，最后在數(shù)電書上有了靈感，運用到了D觸發(fā)器以及計數(shù)器，并趕出了這樣的一個設(shè)計，如果給我更多的時間我會做的更好。我想這次課設(shè)的目的在于將課堂上所學(xué)的理論知識運用到生活實際中。讓我學(xué)到很多。</p><p>　　建議是希望課設(shè)題目多元化，學(xué)生可以選擇自己喜歡的課題進(jìn)行研究，并可以給出充足的時間做出實物。也希望學(xué)校多多組織這樣的活動，大學(xué)生動手能力訓(xùn)練十分重要。&

36、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 童詩白，華成英主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[2] 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù)．[M]北京：高等教育出版社，2006年</p><p>　　[3] 楊興瑤、張益清、楊震緒. 實用電子電路500例:化

37、學(xué)工業(yè)出版社，2006年</p><p>　　[4] 丁士圻編．模擬濾波器：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004年</p><p>　　[5] 何希才編. 常用集成電路簡明速查手冊:國防工業(yè)出版社，2006年</p><p>　　[6] 王冠華編著.Multisim 10電路設(shè)計及應(yīng)用：國防工業(yè)出版社，2008年</p><p>　　[7] 高吉祥