模拟电子技术课程设计报告

1模拟电子技术课程设计报告——带通滤波器目录一、设计概述............................................................2二、设计任务及要求................................................3三、总体方案选择....................................................3四、单元电路的设计................................................5五、总体电路及原理................................................10六、组装与调试.......................................................12七、电路特点及改进意见........................................13八、元器件列表........................................................13九、参考文献............................................................15十、收获与体会........................................................15附：电路总图............................................................172一、设计概述根据允许通过的频率范围，可以将滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种。其中，带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过、其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。在滤波器中，信号能够通过的范围称为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制是我频率范围称为阻带，通带和阻带之间的界限称为截止频率。对于一个理想的带通滤波器，通带范围内则完全平坦，对传输信号基本没有增益的衰减作用，其次，通带之外的所有频率均能被完全衰减。然而，由于器件固有特性的限制，滤波器并不能将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，通带和阻带之间存在一定的过渡带。以下为理想带通滤波器的幅频特性曲线：在带通滤波器的实际设计过程中，主要参数包括中心频率f0、频带宽度BW、上限频率fH和下限频率fL。一般情况下，为使滤波器在任意频段都具有良好的频率分辨能力，可采用固定带宽带通滤波器（如收音机的选频）。所选带宽越窄。则频率选择能力越高。但为了覆盖所要检测的整个频率范围，所需要的滤波器数量就很大。因此，在很多场合，固定带宽带通滤波器不一定做成固定中心频率的，而是利用一个参考信号，使滤波器中心频率跟随参考信号的频率而变化，其中，参考信号是由信号发生器提供的。上述可变中心频率的固定带宽带通滤波器，经常用于滤波和扫描跟踪滤波应用中。3二、设计任务及要求（1）设计任务带通滤波器的设计方案有很多，本实验将采用高通滤波器和低通滤波器级联的设计方案实现一个带通滤波器，通过多级反馈，减少干扰信号对滤波器的影响。为了检测滤波电路的通带特性，设计一个带宽检测电路，通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。（2）设计要求1、输入型号：有效值为1V的电压信号。2、2、输出信号中心频率f0通过开关切换，分别为0.5KHz、1KHz、5KHz和10KHz，误差10%。3、带通滤波器带宽BW≦（fH-fL），在增益符合要求的情况下带宽尽可能窄。4、用LED发光二极管显示上、下限截止频率。三、总体方案选择方案一：4要得到带通滤波器，只需将一个低通滤波器和一个高通滤波器级联即可，且低通滤波器的截止频率要大于高通滤波器的截止频率，这两个截止频率之间就是带通所能通过的频率，达到了带通滤波的要求。此方案简单明了，然而受到的局限较大，如果低通滤波器的截止频率没有大于高通滤波器的，那么将无法实现，而且系统不够稳定，准确性低。方案二：此方案由两部分电路组成，一是主电路部分即带通滤波器电路，将输入信号先通过一个高通滤波器，得到高通滤波，再经过一个低通滤波器得到带通滤波，实现信号的带通滤波，不过还引入了反馈通路，当频率接近通带截频率但小于时，从输出端引回的反馈信号将增强输入信号的作用，因此，幅频特性在接近通带截止频率时将得到补偿而不会很快下降，弥补了前一方案的不足。二是带宽检测电路，检测所设计的滤波器的频带宽度，验证滤波器参数设计的准确性，由线性检波滤波电路和比较显示电路组成。总之，此方案误差小，局限小，被选用。5四、单元电路的设计（1）带通滤波器主体电路该电路通过三个集成运算放大器分别对输入信号一次实现高通、带通和低通，再将高通滤波输出波形和低通滤波输出波形反馈到最初的集成运算放大器处，如下图所示。由于所要设计的带通滤波器中心频率可调，因此，需对电路中的电阻进行合理选择。元器件选择：三个LM353集成运算放大器，电阻，电容，开关6将上述计算所得的理论值代入进行仿真，适当改变数值大小，使得波形达到所需要的中心频率，即可确定电阻参数。以中心频率10KHz为例，将元件参数代入，用EWB仿真的主体电路部分为：所得波特图为：通过波特图测试可得到各中心频率所对应的上下限频率，记录：中心频率电阻R上限频率下限频率带宽BW10KHz1.5K16.8KHZ6.55KHz10.25KHz5KHz3.1K8.15KHz3.162KHz4.998KHz1KHz15K1.68KHz655.5Hz1024.5Hz0.5KHz30K834.5Hz327.5Hz507Hz7（2）带宽检测电路带宽检测电路主要由检波电路和比较器（运算放大器实现）组成。三角形检波器的输出是全波，两个波形大小与三角形的电阻选择有关，经过滤波转换成直流电压，图形如下所示。可变电阻主要用于系数调节。带通滤波输出信号和外部输入信号分别经过两套相同的检波电路后与得到的直流信号进行比较，并将比较结果用发光二极管的亮灭状态显示。元器件：集成运算放大器、电阻、电源、电容、二极管，发光二极管8仿真的带宽检测电路部分为：当开关闭合时，示波器波形为：9当开关断开时，示波器波形为：当滤波器主电路输入信号的频率为带通滤波器的上、下限频率时，比较器的两个输入信号大小相同，发光二极管处于亮灭之间；当信号频率处于上、下限之间时，发光二极管点亮；反之，发光二极管熄灭。通过上述检测过程，即可判断是否达到频率的上下限fH、fL，进而得出所设计带通滤波器的带宽：BW=fH-fL线性检波电路的组成方法很多，有三角形、星形、单运放、双运放等。三角形线性检波电路的三角形电阻的选择，应保证检波电路输出的幅度尽可能一致。我采用的是三角形组成方式。10检波电路的仿真为：五、总体电路及原理11以10KHz为例，在中心频率时，整体电路的输出u2与输入ui接近180°反相，如图：在上限频率时：在下限频率时：12原理：主体电路是全波通过一个高通滤波器，再通过一个低通滤波器实现带通滤波器，加入带通信号的正反馈，使其滤波功能更加接近切比雪夫滤波器，其在过渡带衰减快，和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。和电阻、电容取值要合适。带宽检测电路中，输入1V有效值的正弦波Ui，经过绝对值电路，并通过有极性电容和滑动变阻器整合，使其输出Ui在0.7V左右。电压比较器的输出端接一个发光二极管。当带通信号在通带以内时，信号的有效值大于0.7V，经过绝对值电路后大于0.5V，此时发光二极管通电。当频率在上下限时，带通信号的有效值在0.7V左右，经过绝对值电路后在0.5V左右。此时电压比较器的输出在正电压和负电压之间波动，发光二极管闪烁。当频率小于下限或大于上限时，发光二极管熄灭。这样，此检测电路起到了检测带宽的作用。六、组装与调试（a）使用的主要仪器、仪表：面包板、函数信号发生器、示波器、稳压源、数字万用表等（b）测试的数据波形与仿真的波形基本相同，由于器件误差与测量误差等，还是存在着较大的误差的。波形未拍摄，已检查，无误。（c）按照仿真好的电路图，选择好元器件，编好引脚，正确连接（d）调试过程中，未出现反向波形，后发现是电阻不小心并联，接错引脚，接触不良等问题，上下限频率误差很大，经检查，是滑动变阻器为调节好系数，所以，电路组装过程中应十分仔细，调试过程中应有耐心。组装和调试的整个过程十分考验我的操作能力，中途出现过各种问题，波形没有相位差、电压显示不正确、发光二极管不会亮等，即便在前一天已成功出现波形的情况下，也会因为接触原因或是仪器原因等问题而出错。在纠错过程中，我请教了老师、同学，最后终于成功得到了正确的电路。13七、电路特点及改进意见所设计出的带通滤波电路由于还引入了正反馈，带宽检测电路，所以大大地减小了误差，方便直观地检测出波形以及各个端点的输入输出关系，集成运算放大电路起到了主要作用。比较器的输出用发光二极管显示，十分直观，但是还是容易有很大的误差。通过开关选择多组电阻值，成功地实现了输出信号中心频率的可调。但是在实际操作过程，仿真时由于波特图无法精确调至中心频率的0.707倍，所以选用的电阻以及测得的上、下限频率也只是估计值。在组装过程中，由于电阻阻值的限制，也无法精确得到我们所需要的电阻，滑动变阻器调节过程中也只是粗略调节。在通过观察让发光二极管亮灭来确定上、下限频率时，只调节了一位小数。所以，整个过程中存在误差的地方非常多，所以改进的话，可以是找到减小误差的办法。八、元器件列表电阻/电容数量10K620K41K21.5K13.1K115K130K10.01uf21000uf2其中，部分电阻阻值可由已有的电阻串并联得到。14器件、仪器数量10K滑动变阻器1个集成运算放大器LM3533或6个LED发光二极管1个开关2个面包板工作文件夹1个二极管4个函数信号发生器一台直流稳压电源一台数字万用表一台示波器一台导线若干LF353引脚图15九、参考文献作者文献名出版单位主编：杨上河编著：尚建华沈利芳崔葛瑾刘浩刘晓洁《电子技术实验与模拟电子技术实验课程设计》西安电子科技大学出版社主编：童诗白华成英《模拟电子技术基础》（第四版）高等教育出版社原著：管致中夏恭恪孟桥《信号与线性系统》（第五版）高等教育出版社十、收获与体会本次课程设计的时间短，任务重，在三四天的实验里，我们要设计电路、仿真模拟、组装与调试以及写好实验报告，这对我们的思维和操作能力都是一种很大的锻炼，不管是对知识的掌握还是实际动手操作能力方面，对我来说都得到了提升。首先，本实验是带通滤波器，通过实验，我了解到了带通滤波器可以通过高通滤波器和低通滤波器级联得到，要实现高通和低通，则需要集成运算放大器。要完善带通滤波器，可以加入反馈通路和带通检测电路。通过各个单元一一实现，然后组合完成一个总的电路图。这种先有总体思路，然后划分单元，最后综合的思想，对我以后的设计思维有很大的帮助。仿真软件EWB之前并未使用它进行电路仿真过，这次的使用让我觉得这是一个很有用的软件，在很多情况下对于较为复杂的电路，我们不需要通过实验室去连接电路测试是否能得到我们的结果，通过仿真即可得到数据、波形等，十分方便。而且软件里面的元器件丰富，可行性大。16在电路的组装调试中，很难一次成功等到正确的结果，所以我们需要细心和耐心，才能在出错后寻找问题并解决问题。要学会通过测试各个端点的电压或是波形，来判定此单元是否出错，而不是盲目寻找。还要会分析出现错误的结果的可能原因，并一一排除，最后得到正确结果。总之，这次的课程设计对我的能力帮助很大，也让我发现了自己的很多不足之处，将在今后的学习以及更多次的实验操作中提升自己。附：电路总图17