模電課程設計--有源帶通濾波器

1、<p>　　有源帶通濾波器的設計與測試</p><p><b>　　1 濾波器的簡介</b></p><p>　　在電子電路中，輸入信號的頻率有很多，其中有些頻率是需要的工作信號，有些頻率是不需要的干擾信號。如果這兩個信號在頻率上有較大的差別，就可以用濾波的方法將所需要的信號濾出。濾波電路的作用是允許模擬輸入信號中某一部分頻率的信號通過，而阻斷另一部分頻率的

2、信號通過。</p><p>　　1.1濾波器的發(fā)展歷程</p><p>　　凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術最為復雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。 </p><p>　　1917年美國和德國科學家分別發(fā)明了

3、LC濾波器，次年導致了美國第一個多路復用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計算機技術、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導致了RC有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應

4、用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴大應用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。 </p><p>　　我國廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機構，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波

5、器的研制應用與國際發(fā)展有一段距離。</p><p>　　1.2濾波器的分類 </p><p>　　實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種“精確”分類，只是讓大家了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。</p><p>　?。?）

6、按處理信號類型分類可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分類。當然，每個分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個樹形結構。 </p><p>　?。?）按選擇物理量分類 濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。</p><p>

7、;　?。?）按頻率通帶范圍濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別。 </p><p>　　1.3有源濾波器的介紹</p><p>　　有源濾波器由下列一些有源元件組成：運算放大器、負電阻、負電容、負電感、頻率變阻器（FDNR）、廣義阻抗變換器（GIC）、負阻抗變換器（NIC）、正阻抗變換器（PIC）、負阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四種受控源，另外，還有病態(tài)元件極

8、子和零子。 </p><p>　　1965年單片集成運算放大器問世后，為有源濾波器開辟了廣闊的前景。70年代初期，有源濾波器發(fā)展引人注目，1978年單片RC有源濾波器問世，為濾波器集成邁進了可喜的一步。由于運放的增益和相移均為頻率的函數(shù)，這就限制了RC有源濾波器的頻率范圍，一般工作頻率為20kHz左右，經(jīng)過補償后，工作頻率也限制在100kHz以內(nèi)。1974年產(chǎn)生了更高頻的RC有源濾波器，使工作頻率可達GB/4（G

9、B為運放增益與帶寬之積）。由于R的存在，給集成工藝造成困難，于是又出現(xiàn)了有源C濾波器：就是濾波器由C和運放組成。這樣容易集成，更重要的是提高了濾波器的精度，因為有源C濾波器的性能只取決于電容之比，與電容絕對值無關。但它有一個主要問題：由于各支路元件均為電容，所以運放沒有直流反饋通道，使穩(wěn)定性成為難題。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用連續(xù)的開關電阻（SR）去替代有源RC濾波器中的電阻R，就構成了SRC濾波器，它仍屬于模擬

10、濾波器。但由于采用預置電路和復雜的相位時鐘，使這種濾波器發(fā)展前途不大。 </p><p>　　總之，由RC有源濾波器為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器，體積小，Q值可達1000，克服了RLC無源濾波器體積大，Q值小的缺點。但它仍有許多課題有待進一步研究：理想運放與實際特性的偏差的研究；由于有源濾波器混合集成工藝的不斷改進，單片集成有待進一步研究；應用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續(xù)探索；元件的絕對

11、值容差的存在，影響濾波器精度和性能等問題仍未解決；由于R存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（20%～30%），線性度差等缺點，使大規(guī)模集成仍然有困難。盡管有這么多問題，RC有源濾波器的理論和應用仍在持續(xù)發(fā)展中。</p><p>　　2 有源帶通濾波器的設計</p><p>　　帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)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。二階壓

12、控型有源帶通濾波器是由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，從而實現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。</p><p>　　2.1有源帶通濾波器的工作原理</p><p>　　帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)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。注意：要將高通的下限截止頻率設置為小于低通的上限截止頻率。典型的帶通濾波器可以由RC低通濾波器和RC高通濾波器串聯(lián)而成，

13、從而實現(xiàn)了“帶通濾波”的要求。二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 二階壓控型有源帶通濾波器原理框圖 </p><p>　　有源帶通濾波器的具體電路如圖2.2所示。由此電路可知，電阻R1與C組成低通濾波器，后面一個電容C與電阻R2組成高通濾波器，二者串聯(lián)在一起組成帶通濾波器。除此之外，R4與Rf組成同相比例運算電路，R3則是為改善電路性能而引入

14、的反饋。</p><p>　　圖2.2 有源帶通濾波器電路圖 圖2.3 幅頻特性曲線</p><p>　　帶通濾波器只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)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。其有較好的幅頻特性，幅頻特性曲線如圖2.3所示。</p><p>　　2.2有源帶通濾波器的參數(shù)計算</p><

15、;p><b>　　電路性能參數(shù):</b></p><p><b>　　Auf ==1+</b></p><p>　　當C1=C2=C, R1=R3=R, R2=2R時，電路的傳遞函數(shù):</p><p>　　Au(s)=Auf(s)……………………（1.1） </p><p>　　設中心頻率f0

16、 = ,電壓放大倍數(shù)</p><p>　　Au = …………………（1.2）</p><p>　　當f=f0時，得出通帶放大倍數(shù)</p><p>　　Aup==QAuf ……………………………（1.3）</p><p>　　使式（1.2）分母的模為，即使式（1.2）的分母虛部的絕對值為1，即解方程取正根，就可得到下限截止頻率fp1和上限截止

17、頻率fp2分別為</p><p>　　fp1=(3-Auf)] ……………………（1.4）</p><p>　　fp2= + (3-Auf)] ……………………（1.5） </p><p><b>　　通頻帶為：</b></p><p>　　fbw=fp2-fp1=|3-Auf|f0=</p><p

18、>　　根據(jù)課設要求：中心頻率為f0=1000Hz，通帶電壓放大倍數(shù)Aup=2，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707.根據(jù)式（1.3）計算出Auf=2.83，可以將其近似為Auf=3.再根據(jù)式（1.4）和（1.5）可以設通帶范圍為50Hz-20KHz。</p><p>　　根據(jù)中心頻率選擇0.01uF的電容，Rf =2R4，取R4=1.5kΩ</p><p><b>　　則解得：</

19、b></p><p>　　R1=300Ω R2=4.5kΩ R3=3 kΩ R4=1.5kΩ R5=3kΩ C1=C2=0.01uF </p><p>　　在仿真的基礎上，對參數(shù)進行微調(diào)得：</p><p>　　R1=280 Ω R2=4.5 kΩ R3=3.3 kΩ R4=1.5 kΩ R5=3.2 kΩ C1= 0.01uF C2=0

20、.012 uF</p><p>　　3 二階有源帶通濾波器仿真測試</p><p>　　本次課設的電路仿真基于仿真軟件multisim 11.0。</p><p>　　3.1 二階有源帶通濾波器仿真電路</p><p>　　圖3.1基于multisim11.0的有源帶通濾波器的仿真電路</p><p>　　3.2 仿真

21、記錄結果</p><p>　　圖3.2 下限截止頻率的波特圖</p><p>　　如圖3.2所示，當輸入頻率為49.452HZ時，電壓放大倍數(shù)為-3.011dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“下限截止頻率為50HZ”的要求。</p><p>　　圖3.3 上線截止頻率的波特圖</p><p>　　如圖3.3所示，當輸入頻率為20.171KHZ時，電壓放大

22、倍數(shù)為-3.001dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“上限截止頻率為20KHZ”的要求。</p><p>　　圖3.4 中心頻率的波特圖</p><p>　　如圖3.4所示，當輸入頻率為1.011KHZ時，電壓放大倍數(shù)為-2.5dB。在誤差范圍內(nèi)滿足“帶內(nèi)電壓變化小于0.5dB”的要求。</p><p><b>　　4 誤差分析</b></p>

23、<p>　　任何實驗過程都難免存在誤差，在課設過程中，我們要做的是盡量控制理論誤差，使理論設計誤差不能影響實驗結果。在制作調(diào)試過程中，我們要控制實驗誤差，不能使誤差過大而影響實驗結果。</p><p><b>　　4.1元器件誤差</b></p><p>　　由于計算得出的元器件參數(shù)比較理想化，而實際中用的原件很難匹配所有的參數(shù)，如濾波器中的R1，取值為

24、280Ω，現(xiàn)實中無法買到阻值為280Ω的電阻，只能通過電阻的串并聯(lián)去盡可能的接近它。而電阻一般有5%的誤差，本身無法達到精確匹配。至于電容，誤差更大，遠不止5%（電容的誤差在20%內(nèi)便為合格）。</p><p><b>　　4.2 儀器誤差</b></p><p>　　所有測量儀器都有一定誤差，例如函數(shù)發(fā)生器有50Ω的內(nèi)阻，示波器的本身誤差示數(shù)誤差以及波形的抖動造成的

25、誤差。</p><p>　　5 實驗總結與課設心得</p><p>　　這次課程設計中不僅驗證了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。</p><p>　　課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓

26、練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程．“千里之行始于足下”，我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。</p><p>　　模擬電子技術課程設計，這是我大學的又一個課程設計，對于我個人來說，意義重大。在這次課程設計中，通過查找相關書籍和相關資料，我增長了不少相關知識。閱讀相關書籍后，確定各種電路的模型。通過大量的演算，得出各類元件的參數(shù)，

27、驗算求證。</p><p>　　運用Multisim 11.0仿真軟件，繪制相應的電路圖，對計算出的參數(shù)進行驗證。反復推導，使參數(shù)更加符合要求。對Multisim 11.0在本專業(yè)的應用有了新的認識，可以在以后的基礎課程學習和專業(yè)課程上用它來解決很多問題，更好的掌握Multisim 11.0的使用方法和技巧，對以后的學習生活有很大的幫助。而對濾波器電路的理論分析，讓我對模擬電子技術基礎的相關知識進行了復習，更深一

28、個層次的掌握運放的相關概念和使用技巧，懂得運用運放解決實際的問題，感受到運放是模擬電子的基礎。</p><p>　　通過這次課程設計，我加強了自己掌握和理解書本知識的能力，培養(yǎng)了自己的實際動手能力與綜合設計能力，并提高了自己的技術素質(zhì)?；具_到了了解模電課程設計的任務，明確了運放的基本原則，掌握了Multisim 11.0仿真設計的基本方法。加深了自己對模電這門課程的理解。希望自己在以后的學習生活中不斷加強自我學

29、習的能力，努力完善自己。</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　　[1]邱關源，羅先覺.電路.高等教育出版社.2006.05</p><p>　　[2]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）.高等教育出版社.2006.05</p><p>　　[3]吳友宇，伍時和，凌玲. 模擬電子技術基