二阶带通滤波器的设计

1模拟电子技术基础课程设计任务书学生姓名冯泽宇专业15电气工程及其自动化指导教师姓名古卫芳类别学号150712112班级电本四班职称副教授本校一、设计题目二阶带通滤波器的设计二、设计任务：①分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；②中心频率fO=1KHz；③增益AV＝1---2；⑤品质因数Q＝1~2⑥用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。三、进度安排第十五、十六周152017.5.29~6.1日下达课程设计任务书：明确课程设计的具体要求和应完成的设计任务，学生对课程设计所需各个步骤有个总体把握。搜集、整理和研究资料：针对题目本身涉及内容，通过书籍、文献、网络等手段查阅相关资料。在学习借鉴类似课题研究成果同时，提出自己的设计思路和方法。2017.6.2拟定设计方案：进行方案的论证及选择。162017.6.5~6.6日电路原理图绘制、计算并初步确定电路参数。2017.6.7~6.8日用电路仿真软件对所设计电路仿真测试。2017.6.9日课程设计报告的撰写。并进行设计的答辩，给出课程设计成绩2目录内容提要…………………………………………………………………3正文及电路设计第一章制作一个1000Hz的正弦波产生电路……………………31.1RC桥式振荡电路…………………………………………31.2振荡电路的传递函数……………………………………41.3振荡电路分析………………………………………………4第二章压控电压源二阶带通滤波器………………………………62.1压控带通虑波器的传递函数……………………………62.2设计步骤及元器件选择……………………………………8第三章模拟仿真与元器件准备………………………………………93.1Multisim仿真…………………………………………………93.2元器件列表…………………………………………………13第四章制版与调试……………………………………………………134.1制板……………………………………………………………134.2调试…………………………………………………………15原理概述……………………………………………………………………16参考文献……………………………………………………………………183二阶带通滤波器的设计内容提要：带通滤波器是指能够通过某一频率范围内的频率分量，但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。本文重点介绍了带通滤波器工作原理以及设计方法。介绍了高低通滤波器的工作原理。设计了一个由高通滤波电路和低通滤波电路级联而组成的带通滤波，给出了系统的电路设计方法以及主要模块的原理分析。实验结果表明，该滤波器具良好的滤波效果以及运行稳定可靠等优点。关键词：带通滤波器参数设计稳定可靠正文及电路设计：第一章、制作一个1000Hz的正弦波产生电路：图1.1正弦波产生电路1.1RC桥式振荡电路RC桥式振荡电路如图（1.1）所示。这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。其中，R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自4激振荡。R3、WR及R4组成负反馈网络，调节WR可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。RC串并联网络与负反馈中的R3、WR刚好组成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大器A1的两个输入端，桥式振荡电路的名称即由此得来。分析RC串并联网络的选频特性，根椐正弦波振荡电路的振幅平衡条件，选择合适的放大指标，构成一个完整的振荡电路。1.2振荡电路的传递函数由图（1.1）有1111ZRsC，222221Z1RRCsC＝2221RsCR其中，1Z、2Z分别为图1.1中RC串、并联网络的阻值。得到输入与输出的传递函数：F(s)=2121212221121()1sRCRRCCsRCRCRCs=122112211121211111()sRCssRCRCRCRRCC（1.1）由式（1.1）得212120RR1CC21210RR1CC取1R＝2R＝16k,12CC＝0.01F，则有002621212121110002223.1416100.0110fHzHzRRCC1.3振荡电路分析就实际的频率而言，可用sj替换，在0时，经RC选频网络传输到运放同相端的电压与1oU同相，这样，放大电路和由Z1和Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件。512211221212()12vjCRFjjCRjCRCCRR（1.2）令212101RRCC,且RRRCCC2121,，则式（1.2）变为)(31)(00jjFv（1.3）由此可得RC串并联选频网络的幅频响应2002)(31VF（1.4）相频响应3)(arctan00f（1.5）由此可知，当212101RRCC，或CRff210时，幅频响应的幅度为最大，即31maxVF而相频响应的相位角为零，即f0这说明，当212101RRCC时，输出的电压的幅度最大（当输入电压的幅度一定，而频率可调时），并且输出电压时输入电压的1/3，同时输出电压与输入电压同相。由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括有0这样一些频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中的非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，开始时，放大电路的放大倍数Av1=1+312WWRRR；1WR为可变阻值的上部分值，2WR6为下部分值，当Av1略大于3时，达到稳定平衡状态。因而要通过调节WR才能输出稳定的正弦波。适当调整负反馈的强弱，使Av1的值在起振时略大于3，达到稳定时Av1=3，其输出波形为正弦波，失真很小。如果Av1的值远大于3，则会因振幅的增长，致使放大器件工作在非线性区域，波形将产生严重的非线性失真。二极管对A1的输出电压进行限幅再进入比例放大环节调节，W2便可以改变A2的增益，从而改变输出波形的幅值。为了让输出的波形稳定，应让下1310)()(WRWsVsVAfV=310511下WKK解得KW3.201下%8.39398.0513.2011KKWW下所以1W应该调到39.8%左右，才产生的最理想的波形。由图（1.1）可以得出放大器A2的增益左左左2224324210211010110WKKWKKKKWRRWRAV由于KW102左,所以1.92VA2.1由此可见，滑动变阻器2W的调节对放大器的增益影响不大。第二章、压控电压源二阶带通滤波器2.1压控带通虑波器的传递函数压控电压源二阶带通滤波器电路如图（2.1）所示，电路的传输函数为：212321321111)1(1121)(RRCRsARRRCssCRAsAffu22ooouosQssQA（2.1）7式（2.1）中：12o是带通滤波器的中心角频率。1、2分别为带通滤波器的高、低截止角频率。中心角频率：2123111RRCRo（2.2）)1(11212130fARRRCQ（2.3）中心角频率o处的电压放大倍数：32111)1(11RARRRAAffuo（2.4）式（2.4）中，451RRAf通带带宽：12BW或12fff)1(11212130fARRRCQBW（2.5）ffBWQ00时）0(BW（2.6）图2.1压控带通滤波电路设计一个压控电压源二阶带通滤波器，指标要求为：通带中心频率01fkHz；通带电压放大倍数2uoA；通带带宽100fHz。82.2设计步骤及元器件选择1）选取图（2.1）压控电压源型二阶带通滤波电路；2）该电路的传输函数：22)(ooouousQssQAsA（2.7）品质因数：ffQ0100010100通带的中心角频率：231211121000oRCRR（2.8）通带中心角频率o处的电压放大倍数：3122uoRAR302CRQ取01010()()0.011000CFFFf为使电路稳定工作必须要求3fA，取2fA，即45RR由此可算出电阻102101591552210000.01fuoAQRAC取标称值1160Rk将2uoA、2fA代入得9322RR将132000.01,160,2,2CFRkRRf代入式（2.8）得到关于2R的二次方程：222022211(2)022RfRRCC可解得211656R323312R取标称值：211.8Rk，323.7Rk至此，压控电压源二阶带通滤波器无源器件参数基本确定。第三章、模拟仿真与元器件准备3.1Multisim仿真根据所选元器件，利用NI公司的Multisim进行仿真分析，结果如图：+图3.1文氏电桥正弦波产生电路10注：绿色为正弦波发生电路输出波形，红色为经过同相放大器放大后的波形，放大倍数大约为2倍图3.2文氏电桥输出波形图3.3压控电压源二阶带通滤波器电路图11注：红色为函数信号发生器的输出，作为滤波器的输入，绿色为带通滤波器的输出波形，放大倍数为2倍。图3.4压控电压源二阶带通滤波器输出波形图3.5电路输出的波特图12波特图仪仿真的波特图，得到中心频率为987.118Hz。图3.6a上限截止频率图3.6b下限截止频率由图3.6a和图3.6b得到模拟的两个截止频率分别是1040Hz和940Hz。通过以上仿真得出结论：仿真结果基本满足设计要求，所选元器件参数没有错误，可以进行实际制作阶段。133.2元器件列表表3.7设计所用元器件列表：定值电阻可变电阻器电容二极管放大器锡线其他10K×316K×2160K×112K×124K×147K×250K×11K×110nF×41N4148×2OP07×3一圈测试板一个万能表1个电烙铁1个电路板1块导线若干第四章、制板与调试4.1制板使用AltiumDesigner绘制电路原理图并生成PCB文件，利用热转印制作电路板，AltiumDesigner原理图如图3.8和PCB图如图3.9所示。图3.8电路原理图14图3.9PCB布线图为了方便后期调试，将三个运放通过跳线帽jump_1/2和jump_2/3独立开，并在每个运放输出引出Test_1、Test_2和Test_3三个测试点。在调试过程中，发现滤波器的通带放大倍数达不到理论值的2倍，遂用一个50k的电位器代替图中滤波器中的47K电阻R4,通过调节电位器，可以得到不失真的通带放大倍数，优化后滤波器部分的电路如图3.10所示：图3.10滤波电路图154.2调试利用函数信号发生器和示波器对压控电压源二阶带通滤波器进行测试，得到数据表3.11：表3.11电路数据表幅值（ch1）幅值（ch2）频率(Hz)输入Vi（V）输出Vo(V)放大倍数Aou增益Kf频率对数lg(f/f0)139020.70.35-9.118640.1430148132820.80.4-7.95880.123198075125520.90.45-6.935750.098643726121121.050.525-5.596810.083144143118921.10.55-5.192750.075181855116721.20.6-4.436970.067070856114821.30.65-3.741730.059941888113121.40.7-3.098040.053462605111921.60.8-1.93820.048830087109921.80.9-0.915150.040997692108022100.