1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一 項(xiàng)目意義與目標(biāo)意義：本項(xiàng)目通過一個(gè)比較綜合的、能覆蓋模擬電子技術(shù)這門課程的大部分內(nèi)容的三級(jí)項(xiàng)目，使我們能將整個(gè)課程的內(nèi)容串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的功能，鞏固整個(gè)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，為以后學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)提供良好的模擬電子線路知識(shí)。本次有源濾波器設(shè)計(jì)主要注重的是電子電路的設(shè)計(jì)、仿真，意在培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想方法以及思路，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，在加深對(duì)知識(shí)的理解基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析和解決工程技術(shù)問題的能力。目標(biāo)：掌握有源濾波器的分析和設(shè)計(jì)方法，學(xué)習(xí)有源濾波器的調(diào)試、幅頻特性的測(cè)量方法，通過仿真的方法來研究濾波電路，了解元件參數(shù)對(duì)濾波效果的

2、影響，嘗試著制作實(shí)物來驗(yàn)證理論以及仿真求得的結(jié)果并比較三者之間的差距。二 項(xiàng)目?jī)?nèi)容與要求內(nèi)容：濾波器是一種能夠使有用頻率信號(hào)通過，而同時(shí)抑制（或衰減）無用頻率信號(hào)的電子電路或裝置，在工程上常用它來進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。有源濾波器是由集成運(yùn)放、R、C組成，其開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，但因受運(yùn)算放大器頻限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。要求：在模電課程對(duì)有源濾波器所學(xué)到的知識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一階低通有源濾波電路，一階高通濾波電路，二階低通濾波電路，二階高通濾波電路，二階帶通濾波電路，二階帶阻濾波電路。研究和設(shè)計(jì)其電路

3、結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再利用multisim 軟件進(jìn)行仿真，組裝和調(diào)試各種有源濾波器，探究其幅頻特性。經(jīng)過仿真和調(diào)試，觀察效果。由濾波電路的曲線可以看出通帶的電壓放大倍數(shù)、通帶上限截止頻率，下限截止頻率，特征角頻率等的實(shí)際值，與計(jì)算出的理論值相比較，分析誤差。三 實(shí)驗(yàn)原理程序設(shè)計(jì)一階低通濾波電路：一階有源低通濾波電路是一個(gè)一級(jí)RC低通電路的輸出端再加上一個(gè)電壓跟隨器，使之與負(fù)載很好的隔離開來。由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此，其帶負(fù)載的能力得到了加強(qiáng)。若要求此電路不僅有濾波功能，并且可以起到電壓放大作用，則只需要將電路中的電壓跟隨器改為同相比例放大電路即可。（見

4、下圖1） 傳遞函數(shù)：As=VosVis=Ao/(1+s/wo) 截止頻率：fo=1/2RC 頻率低于F時(shí)電壓增益：Avf=1+Rf/R1 頻率高于F時(shí)增加斜率 二階低通濾波電路：二階有源低通濾波電路由兩個(gè)RC 環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成（見下圖4），壓控電壓源二階濾波器電路的特點(diǎn)是：運(yùn)算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)整。二階高通濾波器的通帶增益：Avf=1+Rf/R1二階高通濾波器的截止頻率：fo=12RC二階高通濾波器的品質(zhì)因素：Q=13-Avf其傳遞函數(shù)為As=Avfwc2/（s2+wcQ+wc2） wc=1

5、/RC Q=1/(3-Avf)W0為特征角頻率，也就是-3dB截止角頻率，Q為等效品質(zhì)因數(shù)。一階高通濾波電路：如果將RC低通電路中的R和C的位置互換，就可得RC高通電路。在0<w<wL范圍內(nèi)為阻帶，高于wL的頻率為通帶，但是受到有源器件和外接元件以及雜散參數(shù)的影響，受帶寬的限制，高通濾波電路的帶寬也是有限的。如下圖，該電路既有濾波功能，還有放大作用。 傳遞函數(shù)：As=VosVis=Ao/(1+wo/s) 截止頻率：fo=1/2RC 頻率高于F時(shí)電壓增益：Avf=1+Rf/R1 頻率低于F時(shí)增加斜率二階高通濾波電路：二階高通濾波器的通帶增益：Avf=1+Rf/R1二階高通濾波器的截止

6、頻率：fo=12RC二階高通濾波器的品質(zhì)因素：Q=13-Avf其傳遞函數(shù)為As=Avfs2/（s2+wcQ+wc2） wc=1/RC Q=1/(3-Avf)W0為特征角頻率，也就是-3dB截止角頻率，Q為等效品質(zhì)因數(shù)。二階有源帶通濾波電路：低通和高通可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通頻率的截止角頻率H 大于高通濾波電路的截止角頻率L ，兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)通帶響應(yīng)。帶通濾波器(BPF)能通過規(guī)定范圍的頻率，這個(gè)頻率范圍就是電路的帶寬BW，濾波器的最大輸出電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率f0的頻率點(diǎn)上。帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì)因數(shù)Q越高。電路的Q值可公式求出 Q=f0/BW

7、.可見，高Q值濾波器有窄的帶寬，大的輸出電壓；反之低Q值濾波器有較寬的帶寬，勢(shì)必輸出電壓較小。采用低通-高通串聯(lián)實(shí)現(xiàn)帶通濾波器：將帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)分成低通濾波器和高通濾波器兩個(gè)獨(dú)立的技術(shù)指標(biāo)，分別設(shè)計(jì)出低通濾波器和高通濾波器，再串聯(lián)即得帶通濾波器。二階巴特沃思濾波器的Avf1=，因此，由二級(jí)串聯(lián)的帶通濾波電路的通帶電壓增益(Avf1)2=2=，由于通帶電壓增益：Au=1，因此在低通濾波器輸入部分加了一個(gè)由R8和R9組成的分壓器。如圖,R1和C1組成低通網(wǎng)絡(luò)，R3和C2組成高通網(wǎng)絡(luò)，兩者串聯(lián)就組成了帶通濾波電路。由KCL列出方程，可導(dǎo)出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為 As=Avf sCR1+3-A

8、vfsCR+(sCR)2式中Avf為同相比例放大電路的電壓增益，同樣要求Avf<3 ，電路才能穩(wěn)定的工作。令 A0=Avf3-Avf w0=1RC Q=1(3-Avf)則有 As=A0sQw0 1+Qw0 +(sw0)2上式是二階帶通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式，其中w0=1RC ，既是特征角頻率，也是帶通濾波電路的中心角頻率。A0 1Q jww01-ww02+jww0Q=A01+jQ(WW0-W0W)令s=jw ,代入上式，則有 A(jw)=A0 1Q jww01-ww02+jww0Q=A01+jQ(WW0-W0W)上式表明，當(dāng)w=w0時(shí)，電路具有最大增益，且|A(jw0)|=A0=A

9、vf3-Avf ， 這就是帶通濾波電路的通帶電壓增益。當(dāng)上式分母虛部的絕對(duì)值為1時(shí)，有|A(jw)|=A02 ；因此，利用|Q(WW0-W0W)|=1 ；取正根，可求出帶通濾波電路的兩個(gè)截止頻率，從而導(dǎo)出帶通濾波電路的通帶寬度BW=w0(2Q)=f0Q 。二階有源帶阻濾波電路：設(shè)計(jì)二階帶阻濾波電路有兩種方案：1. 從輸入信號(hào)中減去帶通濾波電路處理過的信號(hào)，就可以得到帶阻信號(hào)2. 將低通和高通濾波電路進(jìn)行并聯(lián)，便可獲得帶阻濾波電路。這里選取方案2設(shè)計(jì)帶阻濾波電路，由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程可求得傳遞函數(shù)As=VosVis=Avf1+sw021+jww02+22-Avfs w0 或Ajw=Avf1+jww02

10、1+jww02+22-Avfjw w0 =Avf1+jww021+jww02+1Qjw w0 式中 w0=1RC 是特征角頻率，也是帶阻濾波電路的中心角頻率 ; Avf =A0=1+RfR1 為帶阻濾波電路的通帶電壓增益； Q=12(2-A0) 當(dāng)A0趨近2時(shí)，Q趨向于無窮大。因此，A0越接近2，A越大，可使帶阻濾波電路的選頻特性越好，可阻斷的頻率范圍越窄。現(xiàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波電路相關(guān)參數(shù)：10mv 10kHz 的交流電壓源 電容C=C1=C2=10nF C3=20nF R1=R2= R3=800 運(yùn)放型號(hào)為L(zhǎng)M324N Rf=R4= R5=10k VCC=20V VEE=20V 四

11、 實(shí)驗(yàn)仿真1.一階有源低通濾波器仿真電路圖1（仿真電路圖） 用掃頻儀測(cè)得通帶電壓放大倍數(shù)為，移動(dòng)游標(biāo)至Avf下降3dB（約）的位置，測(cè)得上限截止頻率為，下面為對(duì)應(yīng)的曲線圖。圖2（幅頻特性曲線）圖3（幅頻特性曲線）移動(dòng)游標(biāo)到頻率約為(約十倍頻）的位置，測(cè)得Avf 約為。圖4（幅頻特性曲線）2.二階有源低通濾波電路圖5（二階仿真電路圖）圖6（幅頻特性曲線）移動(dòng)游標(biāo)到Avf下降3dB（約）處的位置，測(cè)得上限截止頻率約為，如下圖所示。圖7（幅頻特性曲線）移動(dòng)游標(biāo)到頻率約為(約十倍頻）的位置，測(cè)得Avf 約為。圖8（幅頻特性曲線）3. 一階有源高通濾波電路，如下圖，該電路既有濾波功能，還有放大作用。 圖

12、1（仿真電路圖） 圖2（幅頻特性曲線）用掃頻儀測(cè)得通帶電壓放大倍數(shù)為，移動(dòng)游標(biāo)至Avf下降3dB（約）的位置，測(cè)得下限截止頻率為，下面為對(duì)應(yīng)的曲線圖。圖3（幅頻特性曲線）移動(dòng)游標(biāo)到頻率約為(約十倍頻）的位置，測(cè)得Avf 約為。 圖4（幅頻特性曲線）4.二階有源高通濾波電路如上圖為二階高通濾波電路的原理圖，R1=R2=，R3=15，R4=,C1=C2=10nF，二階高通電路部分起濾波作用，運(yùn)放起放大信號(hào)的作用，截止頻率，品質(zhì)因素。 圖5（二階仿真電路圖）圖6（幅頻特性曲線）移動(dòng)游標(biāo)到Avf下降3dB（約）處的位置，測(cè)得下限截止頻率約為，如下圖所示。圖7（幅頻特性曲線）移動(dòng)游標(biāo)到頻率約為(約十倍頻

13、）的位置，測(cè)得Avf 約為。圖8（幅頻特性曲線）5.二階有源帶通電路圖1（仿真電路圖）圖2（幅頻特性曲線）圖3（幅頻特性曲線）圖4（幅頻特性曲線）6.二階有源帶阻濾波圖1（仿真電路圖）圖2（幅頻特性曲線）圖3（幅頻特性曲線）圖4（幅頻特性曲線）五實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.一階有源低通濾波電路通帶上限截止頻率為：fp=1/2RC（理論值）; fp=1/2RC（仿真值）;放大倍數(shù)：Avf=2當(dāng)f>>fp，理論上的幅頻特性曲線，在過渡帶按-20dB每十倍頻斜率下降。而由上面的曲線圖，可知道真實(shí)的過渡帶是按-（）dB每十倍頻，約為每十倍頻的斜率下降。理想情況下，希望當(dāng)f>fp時(shí)，電壓放大倍數(shù)

14、立即降為零。一階低通有源濾波器與理想的幅頻特性曲線相差很大，過渡帶較寬。2.二階有源低通濾波電路由電路的接法可知，相對(duì)于一階電路，引入了一個(gè)正反饋，從而讓輸出信號(hào)在高頻段迅速下降，濾波電路的幅頻特性曲線在過渡帶將以-40dB每十倍頻的速度下降，與一階相比，其下降速度將提高一倍，從而使其濾波特性更接近于理想的情況。通帶上限截止頻率為：fp=1/2RC（理論值）; fp=1/2RC（仿真值）;放大倍數(shù)：Avf=2 由幅頻特性曲線可知，過渡帶約按-（）每十倍頻，即每十倍頻的斜率下降。當(dāng)f>fp時(shí)，其電壓放大倍數(shù)下降速度更快，過渡帶較窄，具有更好的低通濾波特性。另外，對(duì)于二階低通有源濾波電路，其

15、等效品質(zhì)因數(shù)Q的大小對(duì)電路的幅頻特性影響較大，Q值越大，則f=fp時(shí)的|Av|值越大。當(dāng)Q等于1時(shí)，既可以保持通帶的增益，又能使高頻段的電壓放大倍數(shù)快速地衰減，同時(shí)避免了在f=fp處幅頻特性曲線產(chǎn)生一個(gè)較大的凸峰，因此濾波效果好。上圖為二階低通濾波器的仿真圖，函數(shù)發(fā)生器提供輸入信號(hào)，由示波器的波形可知，濾波電路不會(huì)改變信號(hào)的頻率，上邊的波形為經(jīng)過濾波器前的信號(hào)，為正弦信號(hào)，下邊的波形表示經(jīng)過濾波器之后的信號(hào)，明顯看出波形被衰減，由波特圖儀可知電路的上限截止頻率fl=，理論值fo=，再將信號(hào)頻率取一定的梯度，再觀察波形的情況。300HZ400Hz500Hz600Hz700kHz800Hz900H

16、z1kHz由表可知，波形在500hz以下時(shí)電路的失真現(xiàn)象不明顯，高于500Hz時(shí)電路明顯被衰減，且隨著數(shù)值的減小，衰減倍數(shù)越大，所以說明截止頻率接近500Hz，與理論值和波特圖儀讀出的值接近；以上分析可得，測(cè)量實(shí)際電路的截止頻率可以用看波特圖儀的方法和對(duì)不同信號(hào)頻率范圍的觀察分析，波特圖儀精度較高，使用較方便。3.一階有源高通濾波電路通帶下限截止頻率為：fp=1/2RC（理論值）; fp=1/2RC（仿真值）;放大倍數(shù)：Avf=2當(dāng)f<<fp，理論上的幅頻特性曲線，在過渡帶按-20dB每十倍頻斜率下降。而由上面的曲線圖，可知道真實(shí)的過渡帶是按-（）dB每十倍頻，約為每十倍頻的斜率下

17、降。理想情況下，希望當(dāng)f<<fp時(shí)，電壓放大倍數(shù)立即降為零。一階高通有源濾波器與理想的幅頻特性曲線相差很大，過渡帶較寬。4.二階有源高通濾波電路濾波電路的幅頻特性曲線在過渡帶將以-40dB每十倍頻的速度，與一階相比其下降速度將提高一倍，從而使其濾波特性更接近于理想的情況。通帶下限截止頻率為：fp=1/2RC（理論值）; fp=1/2RC（仿真值）;放大倍數(shù)：Avf= 由幅頻特性曲線可知，過渡帶約按-（）每十倍頻，即每十倍頻的斜率下降。當(dāng)f<<fp時(shí)，其電壓放大倍數(shù)下降速度更快，過渡帶較窄，具有更好的高通濾波特性。上圖為二階高通濾波器的仿真圖，函數(shù)發(fā)生器提供輸入信號(hào)，由示

18、波器的波形可知，濾波電路不會(huì)改變信號(hào)的頻率，黃色線為經(jīng)過濾波器前的信號(hào)，為正弦信號(hào)，橙色線表示經(jīng)過濾波器之后的信號(hào)，明顯看出波形被衰減，由波特圖儀可知電路的下限截止頻率fl=，理論值fo=，再將信號(hào)頻率取一定的梯度，再觀察波形的情況。50HZ500Hz1kHz10kHz由表可知，波形在2kHz以上時(shí)電路的失真現(xiàn)象不明顯，低于2kHz時(shí)電路明顯被衰減，且隨著數(shù)值的減小，衰減倍數(shù)越大，所以說明截止頻率接近2kHz，與理論值和波特圖儀讀出的值接近；以上分析可得，測(cè)量實(shí)際電路的截止頻率可以用看波特圖儀的方法和對(duì)不同信號(hào)頻率范圍的觀察分析，波特圖儀精度較高，使用較方便。5.二階有源帶通濾波電路通帶上限截

19、止頻率為：fh（理論值）; fh1950HZ（仿真值）;通帶下限截止頻率為：fl（理論值）; fl（仿真值）;當(dāng)輸入頻率為1kHz的信號(hào)時(shí)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行交流分析，其幅頻特性如圖：當(dāng)輸入信號(hào)的頻率在上限頻率和下限頻率之間時(shí)（如：f=800Hz），輸入波形與輸出波形基本保持一致，不會(huì)失真當(dāng)輸入信號(hào)的頻率小于下限頻率時(shí)（如f=100Hz），有明顯的濾波現(xiàn)象。6.二階有源帶阻濾波電路通帶上限截止頻率為：fh（理論值）; fh（仿真值）;通帶下限截止頻率為：fl（理論值）; fl（仿真值）;當(dāng)輸入信號(hào)的頻率小于上限頻率和大于下限頻率時(shí)，輸入波形與輸出波形基本保持一致，不會(huì)失真當(dāng)信號(hào)源頻率為9Khz時(shí)，

20、輸出信號(hào)正常。如圖：當(dāng)信號(hào)源頻率為10Khz時(shí)，輸出信號(hào)被抑制！如圖：當(dāng)信號(hào)源頻率為11Khz時(shí)，輸出信號(hào)正常，如圖：六誤差分析及改進(jìn)措施1.一階有源低通濾波器理論上的截止頻率為，實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果為，誤差為：|，誤差很大。由wc=1/RC=2fc 得知，假如實(shí)際的截止頻率比所要求的截止頻率小，則要求把電阻或者電容減小；假如實(shí)際的截止頻率比要求的大，則要求把電阻或者電容增大。 由于測(cè)試的截止頻率比設(shè)計(jì)要求的低，所以要提高它的截止頻率。假定電容不變了，則電阻值RWcfc和RWcfc；可以判定原來的電路的電阻值過大。則可以嘗試改變電阻值。2.二階有源低通濾波器理論上的截止頻率為，實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果為，誤差

21、為：|，可知，相比一階電路，誤差大大減小，適當(dāng)增加電路圖中R4的值可以保證一定誤差的同時(shí)增大放大作用。3.一階有源高通濾波器理論上的截止頻率為，實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果為，誤差為：|，誤差不是特別明顯，而且相對(duì)來說使用二階有源高通濾波器效果更好。4.二階有源高通濾波器理論上的截止頻率為，實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果為，誤差為：|，誤差不是特別明顯。可以在保證誤差不會(huì)增加的情況下考慮增加電路圖中R4的值從而增加電路的放大作用。5.二階有源帶通濾波器理論上的上截止頻率fh=，fl= 實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果為fh=1950HZ, fl=，誤差為：|/*100%=%，|。帶通在軟件仿真的誤差雖然比較大，但是在實(shí)物與理論值頻率的比較上很接近。另外，通過改變Rf和R4的比值可以調(diào)節(jié)增益從而在不影響中心頻率的情況下，改變通