搜索
XXX大学课程设计报告课程名称：模拟电子电路课程设计设计题目：300Hz~3KHz带通滤波电路院（部）：专业：学生姓名:学号:指导教师:第一章一、引言测量和分析工程信号时，往往只需对特定频率或者特定频率范围的信号进行测量和分析，但在实际工程信号中，往往包含各种各样的干扰信号或者说是人们不感兴趣的信号。为了消除这些信号所产生的不良影响，人们最先想到的就是利用一个理想的滤波器，将这些干扰信号全部剔除。本文将以二阶有源带通滤波器为例熟悉滤波的原理并掌握其相关的应用。二、滤波器的简介1滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种：1.1无源滤波器:由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成1.2有源滤波器:一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。2.从功能来上有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。三、主要设计要求利用Multisim仿真平台试设计一有源带通滤波器，要求为能低于300Hz和高于3KHz的信号，整个带通增益为8dB,在30Hz和300KHz处幅频衰减应不小于26dB。1.画出电路图，说明工作原理，写明电路参数及计算过程2.进行电路仿真，仿真结果要求为带通滤波器的幅频和相频特性3.在Multisim中，在电路输入端输入一正弦信号，幅值不变，改变频率，利用示波器观察输入输出波形，做出波特图。第二章一、电路设计和分析1、电路组成原理高通截止角频率𝝎𝑳=𝟏𝑹𝟏𝑪𝟏，高通截止频率𝒇𝑳=𝟏𝟐𝝅𝑹𝟏𝑪𝟏低通截止角频率𝝎H=𝟏𝑹𝟑𝑪𝟑，低通截止频率𝒇𝑯=𝟏𝟐𝝅𝑹𝟑𝑪𝟑𝛚L必须小于𝛚H2、传递函数2.1二阶高通滤波电路高通滤波电路𝑓𝑓𝐿低通滤波电路𝑣𝑖𝑣0，𝑓𝐿𝑓𝑓𝐻二阶高通滤波电路的传递函数A(𝐬)=A𝑽𝒇𝑺𝟐𝒔𝟐+𝝎𝒄𝑸+𝝎𝒄𝟐，式中𝝎c=𝟏𝑹𝑪，Q=𝟏𝟑−𝑨𝒗𝒇𝒇𝒄=𝟏𝟐𝝅𝑹𝑪2.2二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路的传递函数A(𝐬)=A𝑽𝒇𝝎𝒄𝟐𝒔𝟐+𝝎𝒄𝑸s+𝝎𝒄𝟐，式中𝝎c=𝟏𝑹𝑪，Q=𝟏𝟑−𝑨𝒗𝒇𝒇𝒄=𝟏𝟐𝝅𝑹𝑪3、电路电路形式与元件参数的确定3.1电路形式的确定因为阻带十倍频程衰减要求不少于26dB，而一阶带通滤波电路每十倍频程衰减只有20dB达不到衰减要求，二阶带通滤波电路每十倍频程衰减40dB满足阻带衰减要求，所以滤波电路选用二阶带通滤波电路。3.2电路元件参数的确定3.2.1二阶高通滤波电路参数的确定根据巴特沃斯滤波电路阶数n和增益的关系表可知，一级高通滤波电路和一级低通滤波电路串联形成一个一级带通滤波电路时，每一级的增益都为1.586，即4.006dB所以𝑨𝒗𝟏=𝟏+𝑹𝟑𝑹𝟒=1.586，选定R𝟑=𝟏𝟎𝑲,则𝑅4=17𝐾由𝒇𝑳=𝟏𝟐𝝅𝑹𝟏𝑪𝟏=300𝐻𝑧,选定𝑅1=𝑅2=10𝐾，则𝐶1=𝐶2=53𝑛𝐹进行仿真，幅频特性曲线如下图为满足实际应用情况保证300Hz~3kHz的信号能够全部通过，将下限频率降低1.7%𝑓𝐿实际=𝑓𝐿×(1−1.7%)=300𝐻𝑧×(1−1.7%)≈295𝐻𝑧,此时𝒇𝑳实际=𝟏𝟐𝝅𝑹𝟏𝑪𝟏=295𝐻𝑧,选定𝑅1=𝑅2=10𝐾，则𝐶1=𝐶2=54𝑛𝐹电路如下：进行仿真，结果如下：此时中频段增益为4.01dB,符合增益要求，295.64Hz处增益为0.95dB,4.01dB−0.95dB=3.06dB≈3dB，满足调整后𝑓𝐿实际=𝑓𝐿×(1−1.7%)=300𝐻𝑧×(1−1.7%)≈295𝐻𝑧截至频率处增益下降3dB的要求。相频曲线如下：3.2.2二阶低通滤波电路参数的确定由2.1.2可知，每一级的增益都为1.586，即4.006dB.所以𝑨𝒗𝟐=𝟏+𝑅7𝑹𝟖=1.586，选定R𝟖=𝟏𝟎𝑲,则𝑅7=17𝐾𝒇𝑯=𝟏𝟐𝝅𝑹𝟓𝑪𝟒=3𝐾𝐻𝑧,选定𝑅5=𝑅6=10𝐾，则𝐶4=𝐶3=5.3𝑛𝐹进行仿真，幅频特性曲线如下图为满足实际应用情况，将上限频率提高3.3%，此时𝑓𝐻实际=𝑓𝐻×(1+3.3%)=3𝐾𝐻𝑧×(1+3.3%)≈3100𝐻𝑧,此时𝒇𝑯实际=𝟏𝟐𝝅𝑹𝟓𝑪𝟒=3.1𝐾𝐻𝑧,选定𝑅5=𝑅6=10𝐾，则𝐶4=𝐶3≈5.13𝑛𝐹电路如下：进行仿真，幅频曲线如下图：此时中频段增益为3.97dB,符合增益要求，3.11kHz处增益为0.97dB,3.97dB−0.97dB=3dB，满足调整后𝑓𝐻实际=𝑓𝐻×(1+3.3%)=3𝑘𝐻𝑧×(1+3.3%)≈3.1𝑘𝐻𝑧截至频率处增益下降3dB的要求。相频曲线如下：4.电路整合将二阶高通滤波电路和二阶低通滤波电路串联，形成二阶带通滤波电路，电路如下图所示：二、芯片的选择一片TL082芯片中有两个运放，正好符合本滤波器所需运放的个数，其具有4M带宽，高输入阻抗，失调电流低，与OPA690、OPA680相比，能力差一点，但TL082价格较便宜，且完全可满足本设计的所有要求，综合考虑选用TL082第三章一、实验结果分析1、设计结果将整合后的电路进行仿真，幅频特性如下图：1.通带增益为7.96dB，达到整个带通增益为8dB的要求。2.在上限频率𝑓𝐻=3.1𝐾𝐻𝑧处和下限频率𝑓𝐿=295𝐻𝑧处，增益约为4.97𝑑𝐵，7.96dB−4.97dB=2.99dB≈3dB，满足截至频率处增益下降3dB的要求，达到300Hz~3KHz的带宽和通频带要求。3.在𝑓1=30Hz和𝑓2=30KHz处，增益约为−31.48dB。7.96dB+31.48dB=39.44dB≈40dB,符合二阶滤波电路每十倍频程衰减40dB的衰减特性，达到在30Hz和300KHz处幅频衰减应不小于26dB的要求。相频特性如下：4、遇到的问题一开始误认为一级高通滤波电路与一级低通滤波电路相连，高通滤波电路为第一级，低通滤波电路为第二级，形成一个二级带通滤波电路。概念的错误，导致设计时高通和低通的增益不对。进行仿真时得不到正确的幅频特性曲线。3、解决方法一级高通滤波电路与一级低通滤波电路相连形成的是一级带通滤波电路，所以高通和低通的电路的增益都应为1.586，即4.006dB。修改每一级的电路增益为1.586。第四章1、设计优缺点巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器相比，它在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡带，在过渡带上很容易造成失真。2、课程总结模电课程设计是模拟电路学习的实践课程，通过该课程的学习，我体会到理论要与实践结合才能发挥作用，只学习理论并不一定能完成一些实际的设计。看似很简单的题目到真正来做的时候就会出现各种错误，这也提醒我在以后的学习中要多多实践，将学到的理论知识灵活地运用到实践中去，不断提高自己的动手能力。另外在实践中不能想当然的去猜想，一定要通过实践来检测设计的电路是否正确。对于本课程，我希望能在多增加一点课时，熟能生巧，多思考，多动手，才会有真正的收获。