低通50Hz陷波器课程设计报告

中南民族大学电子技术课程设计报告题目学院专业年级姓名学号指导教师年月日指导教师评语：作品50制作质量20完成效果30报告30电路及说明10测试与分析15其他5答辩20展示内容10讲解回答10总分：指导教师签名：电子技术课程设计任务书设计题目：（选题题目）学生姓名：学号：专业班级：一、设计条件1．可选元件（1）选题规定的“可选、限选元件”（2）电阻、电容、电感、电位器等，按需使用（3）自备元件2．可用仪器万用表，示波器，交流毫伏表，信号发生器，直流稳压电源二、设计任务及要求1．设计任务根据技术要求和已知条件，完成选题电路的设计、装配与调试。2．设计要求（1）选题规定的“设计内容和要求”；（2）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。包括：计算电路元件参数、选择元件、画出总体电路原理图；（3）用软件仿真整体或部分核心实验电路，得出适当结果；（4）装配、调试作品，按规定格式写出课程设计报告书。三、时间安排1．第12周前：布置设计任务，讲解设计要求、实施计划、设计报告等要求。2．第14周前：理解课题要求，准备元器件。3．第15～16周：资料查阅，方案设计，模拟仿真，实际制作。4．第17～18周：完成设计与制作，答辩，提交设计报告。指导教师签名：年月日一、实验名称低通50Hz陷波器二、实验要求设计一个低通50Hz陷波电路，要求直流稳压电源供电，多级有源滤波：①3dB低通截止频率：100Hz（可选：扩展到1dB）②3dB带阻中心频率：50Hz（可选：扩展到1dB）③总电压增益：≥10（可选：扩展到100）三、实验目的1、掌握有源滤波电路的设计方法2、掌握二阶有源带阻滤波器电路的设计方法3、了解有源滤波电路的性能特点4、了解二阶有源带阻滤波器的性能特点5、掌握有源滤波电路的安装与调试方法6、掌握二阶有源带阻滤波器的安装与调试方法7、掌握滤波器有关参数的测量、计算方法8、理论应用于实践，增强动手能力四、相关概念①、有源滤波电路：若滤波电路含有有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，成为有源滤波电路。②、有源滤波器：有运算放大器和阻容元件组成的选频网络。用于传输有用频段的信号，抑制或衰减无用频段的信号。滤波器阶数越高，性能越逼近理想滤波器特性。③、滤波器阶数：在分析有源滤波电路时，一般通过“拉氏变换”，将电压与电流变换成“像函数”U(s)和I(s)。R(s)=R，Zc(s)=1sc，ZL(s)=SL。输出量与输入量之比称为传递函数，即()()()osusisUAU。在传递函数中，分母中S的最高指数称为滤波器的阶数。④、低通滤波器（LPF）：低通滤波器是一种用来传输低频段信号，抑制高频段信号的电路。当信号的频率高于某一特定的截止频率1pf时，通过该电路的信号会被衰减（或被阻止），而低于1pf的信号通过该滤波器。⑤、高通滤波器（HPF）：高通滤波器是一种用来传输高频段信号，抑制或衰减低频段信号的电路。当信号的频率低于某一特定的设截止频率2pf时，通过该电路的信号会被衰减（或被阻止），而高于2pf时，信号可以通过该滤波器。⑥、带阻滤波器（BEF）：带阻滤波器是可以用来抑制或衰减某一频段信号，并让该频段以外的所有信号都通过的滤波器。即设低频段截止频率为1pf，高频段截止频率为2pf，则频率低于1pf或高于2pf的信号可以通过，而频率是在1pf到2pf之间的信号会被衰减。⑦、阻带宽度：高频段截止频率2pf与低频段截止频率1pf之差，计为BW=21ppff。⑧、通带放大倍数：实际中，滤波器的幅频特性可分为通带（能够通过的信号频率范围）、过渡带与阻带（阻止信号通过的频率范围）。称通带中输出电压与输入电压之比upA为通带放大倍数。五、实验设计1、放大电路设计设计说明：此电路为简单的同相比例运算电路，由“虚短”“虚断”的概念得𝑈𝑂=(1+𝑅𝑓𝑅)𝑈𝑖=1+106=2.67𝑈𝑖2、有源滤波电路设计低通滤波器（LPF）：低通滤波器是一种用来传输低频段信号，抑制高频段信号的电路。当信号的频率高于某一特定的截止频率时，通过该电路的信号会被衰减（或被阻止），而低于的信号通过该滤波器。电路说明：此电路为简单二阶低通滤波电路（1）通带增益当f=0HZ时，各电容器可视为开路，通带内的增益为𝐴𝑉=1+𝑅𝑓𝑅（2）二阶低通有源滤波器传递函数联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数（3）通带截止频率将s换成jω，令ω0＝2πf0=1/(RC)可得当f=fp时，上式分母的模解得截止频率：总结：与理想的二阶波特图相比，在超过f0以后，幅频特性以-40dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率fp→f0之间幅频特性下降的还不够快。其中Q=13−𝐴𝑉𝑃𝐴𝑉𝑃=1+𝑅𝑓𝑅1f=12𝜋𝑅𝐶=100，求出求出Rf=5.04kΩR1=5.1kΩR4=R3=15.90kΩC=0.1Μf。3、有源帯阻滤波电路设计带阻滤波器（BEF）：带阻滤波器是可以用来抑制或衰减某一频段信号，并让该频段以外的所有信号都通过的滤波器。即设低频段截止频率为，高频段截止频率为，则频率低于或高于的信号可以通过，而频率是在到之间的信号会被衰减。工作原理分析：电路工作时，输入信号由输入端经过低通和高通滤波器并联的滤波电路，低通和高通滤波电路会对输入信号进行处理，使得高于或低于其截止频率的信号被抑制或衰减，在并联电路的输出端，经过低通滤波的信号和经过高通滤波的信号叠加输出。在两路滤波器中都被抑制或衰减的信号在输出端就无输出或输出被衰减了的信号，实现带阻滤波。⑴、有关参数的计算及元器件参数的选择实验要求给定设计指标：中心频率050fHz，10Q。而在设计滤波器时，出现了待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数数目，有多个元件组合均满足给定要求，这样由这两个值去求电路中的其它所有的R、C值是很困难的。我们需要先设定一些元件的值。考虑到电容分档较少、难以配选，我们查找到一个“滤波器工作频率与电容取值的对应关系”如下表所示。表中所标频率为低通滤波器的上限频率、高通滤波器的下限频率、带通和带阻滤波器的中心频率。f（1~10）Hz（10~102）Hz（102~103）Hz（1~103）KHz（10~103）KHz（102~103）KHzC（20~10）μF（10~0.1）μF（0.1~0.01）μF（104~103）pF（103~102）pF（102~10）pF由于给定的中心频率为050fHz，故电容值在（10~0.1）μF中选。在这里我们选0.1μF的电容。由10Q和式（1-13）012(2)upfQBWA可计算得1.95upA由式210(2)1(2)pupupfAAf和220(2)1(2)pupupfAAf及1.95upA可计算得：2122(21.95)1(21.95)5047.56(21.95)1(21.95)5052.56ppff由中心频率012fRC，050fHz，C取的值为C=0.1μF，可计算得601131847.1331.85223.140.11050RKCf由1.95upA和11fupRAR可知，1fRR=0.95。选定110RK，则𝑅𝑓=9.5KΩ4、总电路设计六、实验数据分析f/HZ41424344454647484950AV5.75.34.84.33.632.31.50.70.8f/HZ51525354555657585960AV1.93.14.35.56.47.78.79.49.9510.4f/HZ61626364656667686970AV10.811．111.211.311.411.511．311.411.411.4f/HZ71727374757677787980AV11.311.211.211.211.110.910.910.810.710.6f/HZ81828384858687888990AV10.510.510.410.310.210.210.210109.86f/HZ919293949596979899100AV9.799.79.649.599.539.339.188.838.538.01f/HZ101102103104105106107108109110AV7.87.57.16.76.56.265.465.35.210,11.249,0.766,11.5100,8.0102468101214020406080100120140AVf/HZ放大倍数与频率的波形图元件清单运放LM741电位器104电位器502电位器202电容104电容202电阻15k3个2个6个3个4个1个3个七、实验结果分析1.根据实验要求总电压增益：≥10，分析实验所得的波形来看，放大倍数在10以上，满足条件，达到要求。2.3dB带阻中心频率：50Hz（可选：扩展到1dB），分析实验所得的波形来看陷波中心在49HZ，已经非常接近50HZ。3.3dB低通截止频率：100Hz（可选：扩展到1dB），分析实验所得的波形来看50HZ以后波形回升，直到放大倍数又回到10倍左右位置，90HZ往后开始陷波，以后频率越大陷波越明显。4.实验数据表明此有源滤波电路虽然也能达到100HZ滤波作用，但是，滤波效果不是太好。首先下降的太平缓，应该按照张老师所说的那样，采用四阶有源滤波，这样下降就会很快，但是，由于知识有限，一直设计不出。5.再说带阻滤波，虽然也设计出来，由图形分析来看：在50HZ时也有明显的陷波，但是阻带宽度BW=f1-f2太大，应该适当减小6.八、实验总结这次课程设计历时两个星期，两周之前我们对“陷波器”还没有什么具体的概念，我们通过在网上查阅相关资料，了解了“陷波器”的相关概念，从图书馆借阅的书籍中我又进一步了解了proteus的使用方法。对于整个设计过程，我感慨很多，从选题到定稿，从理论到实践，中间经历了很多的困难。焊第一块板子时，由于第三级带阻滤波一直有问题，波形一直不出来，第三次去实验室调试时，又发现第二级有源滤波也出现了问题，一气之下，焊了第二块板子，终于如愿以偿，实验圆满的做出来了。从中我们学到了很多的东西。通过这次课程设计，让我加深了对于滤波器设计的理解，进一步熟练了对于其原理的掌握，并为我今后在相关方面的工作和研究打下了坚实的基础，同时也让我认识到了团队合作的重要性。有源滤波器有了更为深刻的认识。对其电路组成以及更元件参数也有了更多的了解，特别是对运算放大器有了更多的学习，知道它的各项参数，以及脚标如何在电路中连接等等。通过本次动手设计，使我对LM741运算放大器有了更多的了解，提高了动手能力，并且自己将电路连接好，得到了正确的仿真结果。以及收获：（1）通过这次课程设计，我深刻体会到proteus及其他电路软件在电路设计方面的重要性。（2）掌握了元件的各项性能，尤其是LM741运算放大器的性能.（3）这个实验，我花了很多时间去做，查阅了大量的资料，分析电路元件的特性和原理及其应用，对有源滤波器加深了理解。发现知识面还是很欠缺，以后要多看书，扩大知识面以及增强动手能力。九、参考文献[1]电子技术基础实验指导书（第一版）[2]电子技术基础模拟部分（第五版）康华光主编；高等教育出版社2006.1[3]EDA仿真与虚拟仪器技术李东生编著；高等教育出版社2004.11[4]从零开始学模拟电子技术李建清主编；国防工业出版社2007.1