带通滤波器的课程设计.doc

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1、湘潭大学课程设计说明书 带通滤波器 闫少阳目 录摘要.1Abstract.21 引言.32 滤波器的分类.53 级联实现带通滤波器原理.64 压控电压源二阶有源带通滤波器设计、仿真和测试.74.1 压控电压源二阶有源带通滤波器理论概述.74.2 压控电压源二阶带通滤波器电路模型.74.3 压控电压源二阶带通滤波器电路特点.84.4 设计要求.84.5 设计步骤.8 4.5.1 元器件的选择与LM324介绍.8 4.5.2 multisim 仿真.144.6 元器件的调整.164.7 利用protel 99SE进行电路板的制作.164.8 电路板的测试.184.9 小结.185 结束语.19 参

2、考文献.20 致谢.21 博学笃行 盛德日新带通滤波器- 21 -博学笃行盛德日新摘要：近年来，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛，使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全运行，必须对谐波污染进行治理，以改善电能质量。就当前的工业现实而言，抑制谐波的基本手段是装各类滤波补偿装置。无源滤波器的结构简单，经济性好，但易受电网阻抗和运行状态影响与系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器则可以解决这些问题，并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性，因而具有极高的发展前景。本文的主要内容有：1. 压控电压源二阶有源带通滤波器理论，包括其数学模型和典型参数1；

3、2. 介绍集成运放LM324的结构、引脚及性能参数；3. 软件protel 99SE2 和 multisim 10的简要介绍；4. 设计、仿真、制作一个二阶压控电压源滤波器，并对其进行测试3。关键词：带通滤波器；中心频率；通频带带宽；multisim 9；protel 99SE；仿真Band-pass FilterAbstract：In recent years, various based on power electronic technology of nonlinear device in power system are applied widely, making the incr

4、easingly serious harmonic harm. In order to ensure the safe operation of the power system harmonic pollution, it is necessary to undertake administrative, in order to improve the quality of power.Of the current industrial real character, restrain harmonics of the basic means is packed all kinds of f

5、ilter compensation devices. Passive filter structure is simple, economical, but vulnerable network impedance and running state affecting and system in resonance, and only can compensate fixed frequency harmonics. And active filter may solve these problems, and can be used to monitor the changes of h

6、armonic compensation, highly controlled, thus has the high development prospects.The main content of this article are:1. The voltage controlled voltage source second-order active band-pass filters theory, including its mathematical model and the typical parameters1;2. Introduce the structure, pins a

7、nd performance parameters of integrated op-amp LM324 ;3. Software protel 992 and multisim brief introduction;4. Design, make a second order voltage controlled voltage source filter, and carries on the test3;Key words: band-pass filter;Center frequency;Bandpass bandwidth；multisim 9；protel 99SE；simula

8、te1 引言1.1 滤波器作用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带通滤波器，将这些干扰信号全部剔除。但理想带通滤波器仅在理论上存在，实际设计和应用的带通滤波器只能尽可能地逼近理想的带通滤波器。1.2 软件protel 99SE 和 multisim 10的简要介绍Protel 99SE概述：Protel 99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人

9、机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）2。Protel99 SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99 SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表

10、强大的全局编辑功能在原理图中选择一级器件,PCB中同样的器件也将被选中同时运行原理图和PCB,在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB）,也可以进行反向注释（由PCB到原理图）,以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出,GB4728国标库）,方便易用的数模混合仿真(兼容SPICE 3f5)支持用CUPL语言和原理图设计PLD,生成标准的JED下载文件,PCB可设计32个信号层,16个电源-地层和16个机加工层强大的“规则驱动”设计环境,符合在线的和批处理的设计规则检查智能覆铜功能,覆铀可以自

11、动重铺提供大量的工业化标准电路板做为设计模版放置汉字功能可以输入和输出DXF、DWG格式文件,实现和AutoCAD等软件的数据交换智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）方便的打印预览功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法,信号完整性分析直接从PCB启动反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合专家导航帮您解决信号完整性问题multisim 10概述：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路

12、通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较

13、具有模拟数据的实现建模测量。2 滤波器分类滤波器在电子电路中是一种对干扰信号或是无用的信号进行滤除的一种装置，包括电抗性元件L、C构成的无源滤波器、由集成运算放大器组成的有源滤波放大器，以及三极管滤波器等。滤波器分类:按滤波器的组成元件的不同可以分为无源滤波器和有源滤波器。按照滤波器的频率特性不同，滤波器通常可以分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制

14、一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。两类响应巴特沃斯响应（最平坦响应）巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。切贝雪夫响应在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。方案选择：带通滤波器设计有几种方案，方案一为低通滤波器和高通滤波器级联，运用两个运放，四阶滤波，对应的幅频响应为-40 dB/十倍

15、频；方案二为直接用一个运放实现带通，二阶滤波，对应的幅频响应为-20 dB/十倍频。虽然方案一更精确，但这里由于元器件的限制，为方便起见，简要介绍下方案一的原理，实际操作按方案二进行。3 级联实现带通滤波器的原理带通滤波器是由高通RC环节和低通RC环节组成。要将高通的下限截止频率2设置小于低通的上限截止频率1。设计如图：高通滤波器低通滤波器Vi VoA0阻带通带阻带图1 方案一带通滤波器原理在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是RC元件的组合，在分析时利用“拉普拉斯”变换将电流电压变成“像函数”同时引入运算阻抗代替无源元件RC，求解有源滤波器的传递函数。将信号从时域转变

16、到频域，输入输出信号都可分解成若干频率信号。传递函数： 它有幅频特性,相频特性。对于有源滤波器利用运放实现放大作用，所以RC环节实现滤波功能。其中有n个RC滤波环节就为n阶滤波，运放使滤波器与负载隔离，增强了带负载的能力。4 压控电压源二阶有源带通滤波器设计、仿真和测试4.1 压控电压源二阶有源带通滤波器理论概述带通滤波器是指能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，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。4.2 压控电压源二阶带通滤波器电路模型图2

17、 压控电压源带通滤波器模型其传输函数为： 中心角频率为：通带带宽为：中心频率处电压的放大倍数为：其中，4.3 压控电压源二阶带通滤波器电路特点1) 只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。2) 调节R、,可调整增益，中心频率不变，带宽改变。4.4 设计要求设计一个二阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率为1KHZ，品质因数为10，增益等于2。4.5 设计步骤4.5.1 元器件的选择与LM324介绍 参 数 K中心频率（a） 参 数 K 中心频率（b）参数K中心频率（c）图3 参数K和频率的关系根据上面参数K与频率关系图和公式:其中，中心频率

18、单位为HZ，电容单位为F,选定C=22nF，则得到，K=4.55。根据设计表：表1 电路元件值（Q=10）增益1246810R131.83115.9157.9585.3053.9793.183R21.1671.1661.1601.1481.1311.110R32.2512.3322.5022.6842.8763.078R4、R54.5024.6645.0045.3685.7526.156电阻为参数K=1时的值，单位为kK=4.55时，R1=72.41k,R2=5.31k,R3=10.61k,R4=R5=21.22k。取R1=72k,R2= 5.3k,R3=10.62 k,R4=R5=21.3

19、k。LM324四运算放大器图4 LM324 LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。特点 内部频率补偿 直流电压增益高(约100dB) 单位增益频带宽(约1MHz) 电源电压范围宽：单电源(332V)； 双电源(1.516V) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电

20、压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V) 图5 内部电路图表2 极限参数表3 电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,TA=25）表4 电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,0TA70）图6 管脚排列图图7 外形尺寸图4.5.2 multisim 仿真1) 电路原理图图8 multisim仿真电路2) 利用multisim 10进行电路的仿真中心频率为1.006KHZ,中心频率处增益为5.957dB。图9 multisim仿真波特图3 dB截止频率为1.05 KHZ和946.805 HZ通带带宽为BW=1050-946.805=103

21、.195 HZ电路品质因数为Q=f0/BW=9.754.6 元器件的调整鉴于元器件所需要的电阻并不齐全，对电阻值进行调整，以方便焊接电路板。R1=75 K,R2=10 K,R3=5.6 K,R=22 K,Rf=24 K。（以Altium designer画图为基准）4.7 利用protel 99SE进行电路板的制作1) 电路原理图图10 Altium designer画图2） PCB布线图11 Altium designer画pcb图4.8 电路板的测试1) 输入信号幅值为1 Vpp时，输出电压与输入频率之间的对应关系的测量与处理频率/HZ100200300400500600650输出电压/V

22、pp0.074 0.155 0.195 0.280 0.355 0.460 0.540 700750800850900950100010500.650 0.745 0.835 1.065 1.220 1.525 1.990 2.925 110011201140115011601180120012504.950 5.800 6.100 6.000 5.960 5.260 4.840 3.620 130013501400150016001700200030002.810 2.260 1.860 1.420 1.140 0.700 0.675 0.365 4000500010000200003000

23、040005000100000.240 0.190 0.092 0.050 0.035 0.240 0.190 0.092 2) 典型参数的测量与计算表5 对应频率的输出电压根据表格可知，中心频率为1140 HZ，中心频率处增益为6.100。测量得到，幅值为4.31 Vpp（6.10*0.707=4.31）所对应的频率为1090 HZ和1220 HZ，所以，计算得到，通带带宽为BW=1220-1070=130 HZ，品质因数Q=1140/130=8.77。3) 测试结果与仿真结果进行比较分析元器件焊到电路板后，用万用表测得R1=75 K,R2=10.6 K,R3=5.7 K,R=22 K,Rf

24、=24 K。由于R2,R3电阻与仿真时有偏差，以及其他一些环境、温度、介质材料等客观因素的影响，实际的Q值偏小1.00，带宽偏大27 HZ,中心频率偏大134 HZ。另外，阻带的衰减还不够快。4.9 小结本文给出了带通滤波器的设计基本过程，首先确定滤波器的原理以及实现方式，接着用multisim软件进行理想化的仿真确定理想目标。通过Altium designer软件对原理图的设计，制作出pcb板实物进行仿真测试分析，虽然结果距离理想的滤波器有一定差距，但鉴于pcb制作板材和工具的限制，以及制作过程中不可避免的细节问题，和测量工具的局限，得到的结果大致符合。5 结束语本次课程设计虽然只是一个很小

25、的工作，但在完成设计中却动用了相当于一个项目研究的过程，从查资料到看资料，完成设计需要软件的选择，学习使用软件，软件分析与实物想结合进行测试验证，确实锻炼不少。模电知识忘记很多，花费了很大的精力去理解滤波器以及放大倍数、传输函数等内容，觉得学过的东西却不会很是尴尬，觉得还是自己理解不到位，以后会吸取教训把东西学精通。模电学习虽然总是遇到multisim软件，但是却没用过，因为设计需要简要学习了一下基本的使用，还是觉得multisim也挺强大的，作为理想化分析的一款软件确实很不错。因为protel 99SE和Altium designer 两款软件几乎相同，而我在参加一些比赛中用的Altium

26、designer，因此本次设计选用了Altium designer，很轻松设计了电路图，画出pcb进行分析。本次设计的遗憾是没有选择其他题目，没有用Hspice、Pspice、Cadence进行设计仿真，以后会自己再使用的。参考文献：1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社,2006.2 李珩，杨杉，欧大生.电路设计与制板M.西安电子科技大学出版社,2004.3 宁武，唐晓宇，闫晓金.全国大学生电子设计竞赛基本技能指导M.北京：电子工业出版社,2009.致谢：非常感谢唐明华教授一直以来对我们的悉心指导和大力支持，他所教授超大规模集成电路与系统导论使我受益匪浅，而且让我对模拟电子技术基础这本书有了更深刻的理解！ .