有源带通滤波器课程设计任务书.doc

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1、题 目：有源带通滤波器初始条件：具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、设计一个有源带通滤波器。2、通带范围为50HZ-20KHZ，带内电压变化小于0.5dB 。3、自制直流电源。4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书时间安排：十八周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要I1有源带通滤波器理论设计11.1集成运放LM324的简介11.2理想化的有源

2、带通滤波器21.3有源带通滤波器工作原理21.4二阶有源带通滤波器设计方案31.4.1有源带通滤波器实现方案:32直流稳压电源的设计52.1设计原理分析52.2单向桥式电路工作原理52.3电容滤波工作原理62.4稳压电路工作原理72.5设计电路图93.二阶有源带通滤波器仿真测试：103.1仿真测试电路（基于multisim 10）103.2交流小信号分析114.误差分析124.1 元器件误差124.2运放的性能124.3仪器误差125.实物制作136心得体会14参考文献15摘要在模拟电子技术基础的学习基础上，针对课设要求，设计了多重反馈有源带通滤波器。本次设计是BPF,是由电阻、电容、放大器组

3、成的电路。该滤波器的中心频率是10kHz。该滤波器阻止低于50Hz和高于20kHz频率的信号通过，只允许50Hz到20kHz之间的信号通过。该滤波器属于有源滤波器，由无源元件和有源元件组成。这类滤波器的优点是：带内的信号不仅没有消耗能量，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小。设计用到了LM324放大器，它既可接单电源使用（3 30V），也可以接双电源使用（1.5 15V），不需要调零。利用运放的虚短，虚断，计算出符合条件要求的原件参数，通过Multisim 10软件仿真调整参数值。焊接完电路后的实际测量数据，验证参数的取值。关键词：带通；BPF；中心频率；LM324；Mult

4、isim 10有源带通滤波器电路设计1有源带通滤波器理论设计1.1集成运放LM324的简介LM324 是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-” 为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的 引脚排列见图2 图1.1 图1.2由于

5、LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。1.2理想化的有源带通滤波器有源带通滤波器（BPF）原理图如图1.1所示，带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成，要将高通的下限频率f1设置为小于低通的上限频率f2。图1.3有源带通滤波器原理图1.3有源带通滤波器工作原理 这种滤波器的作用是只允许在某一个同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。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。电路性能参数：通带增益、中心频率、通带宽度分别如下：1.4二阶有源带通滤波器设计

6、方案1.4.1有源带通滤波器实现方案:图1.4多重反馈带通滤波器（中心频率10kHz）根据电路性能参数:Auf =1+当C1=C2=C,R1=R,R2=2R时，电路的传递函数: Au(s)=Auf(s) （1.1） 设中心频率f0=,电压放大倍数 Au= （1.2）当f=f0时，得出通带放大倍数 Aup=QAuf .（1.3）使式（1.2）分母的模为，即是式（1.2）的分母虚部的绝对值为1，即解方程，取正根，就可得到下限截止频率fp1和上限截止频率fp2分别为fp1=-(3-Auf)（1.4）fp2=+(3-Auf)（1.5） fbw=fp2-fp1=|3- Auf|f0=根据课设要求：通带范

7、围为50Hz-20KHz，带内电压变化小于0.5dB，确定中心频率为f0=10000Hz，再根据式（1.4）和（1.5）计算出Auf=3根据中心频率选择10nF的电容，R5=2R4，取R4=1.6k则解得：R1=1.6k R2=3.2k R3=320 k C1=C2=10nF R4=1.6k R5=3.2k2直流稳压电源的设计2.1设计原理分析直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。它作为能源，可保证电子设备的正常运行。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路三部分组成，如图2.1图2.1 直流稳压电源结构框图2.2单向桥式电路工作原理图2.2 单向桥式整流电路及电

8、容滤波电路 图2.3 整流堆管脚图及内部结构1）整流电路的作用电路中用了四个二极管，接成电桥形式，利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压2）主要参数计算a直流电压Uob直流电源Ioc波动系数3）选管原则 根据二极管的电流ID和二极管所承受的最大反向峰值电压URM进行选择，即2.3电容滤波工作原理1）电容滤波电路作用利用电容元件储能的特性，将整流后输出的电压的能量储存起来，然后缓慢的释放给负载。尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。2）主要参数计算a. 耐压电流b放电时间常数范围c输入输出关系d波动系数3）电容滤波电路的特点（

9、1）电容滤波电路适用于小电流负载。（2）电容滤波电路的外特性比较软。（3）采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。必须选用较大容量的整流二极管。（4）电容滤波后，输出直流电压提高了，同时输出电压的脉动成分也降低了，而且输出直流电压与放电时间常数有关RLC，Uo=1.4U2，S=0。4）选电容原则电容放电的时间常数 =RLC 愈大，放电过程愈慢，则输出电压愈高，同时脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。故应该选择一个大一些的电容。2.4稳压电路工作原理图2.4 直流稳压电路（1）直流稳压电路作用使输出的直流电压，在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。本次课程设计中，稳压电路选择用三段集成稳

10、压器W7815和W7915以及电容组成（2）三端集成稳压器介绍随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。W7800、W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W7800系列固定输出正电压，W7900固定输出负电压，档位一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V。（3）W7815和W7915外形及连接图 图2.5 W7815外形及连接图 图2.6 W7915外形图及连接图 （4）以W7812为例说明电路

11、组成 图2.7 由W7815构成的串联型稳压电源图2.7 是用三端式稳压器W7815构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。滤波电容C1、C2一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33F ），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4(0.1F)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。2.5设计电路图图2.8 直流稳压电源结构图元件：（4）电容 4700uF电容两个，0.1uF电容2个，0.33uF电容两个（5）三端集成稳压器 W7815，W7915各一块3.二阶有源带通滤波器仿真测试：3.1仿真测试电路（基于m

12、ultisim 10）图3.1基于multisim10.0的有源带通滤波器的仿真电路3.2交流小信号分析小信号分析的开始频率、终止频率、扫描类型、每十频程点数、纵坐标的设置如下图所示图3.2扫描设置 图3.2二阶带通滤波器交流分析仿真结果（中心频率10KHz）观察图3.2，输出电压在频率为10KHz时达到最大，频率距离10KHz越远，输出衰减越明显。满足带通滤波器的设计要求。4.误差分析4.1 元器件误差由于计算得出的元器件参数比较理想化，而实际中用的原件很难匹配所有的参数，如滤波器中的R1，取值为1.6K，现实中无法买到阻值为1.6K的电阻，只能通过电阻的串并联去尽可能的接近它。而电阻一般有

13、5%的误差，本身无法达到精确匹配。至于电容，误差更大，远不止5%（电容的误差在20%内便为合格）。4.2运放的性能本次课设用到的运放为TI公司的LM324J，通用型运放，不可能达到理想运放的虚短，虚断的条件，没有很高的压摆率。因此输出不可能达到理想值。4.3仪器误差函数发生器有50的内阻，示波器的本身误差示数误差以及波形的抖动造成的误差。5.实物制作图5.1实物电路经过调试之后，实物电路在误差的范围内验证理想仿真的结果。6心得体会一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和

14、同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础模拟电子技术课程设计，这是我大学的又一个课程设计，对于我个人来说，意义重大。在这次课程设计中，通过查找相关书籍和相关资料，我增长了不少相关知识。阅读相关书籍后，确定各种电路的模型。通过大量的演算，得出各类元件的参数，验算求证。

15、运用Multisim 10仿真软件，绘制相应的电路图，对计算出的参数进行验证。反复推导，使参数更加符合要求。对Multisim 10在本专业的应用有了新的认识，可以在以后的基础课程学习和专业课程上用它来解决很多问题，更好的掌握Multisim 10的使用方法和技巧，对以后的学习生活有很大的帮助。而对滤波器电路的理论分析，让我对模拟电子技术基础的相关知识进行了复习，更深一个层次的掌握运放的相关概念和使用技巧，懂得运用运放解决实际的问题，感受到运放是模拟电子的基础。通过这次课程设计，我加强了自己掌握和理解书本知识的能力，培养了自己的实际动手能力与综合设计能力，并提高了自己的技术素质。基本达到了了解

16、模电课程设计的任务，明确了运放的基本原则，掌握了Multisim 10仿真设计的基本方法。加深了自己对模电这门课程的理解。希望自己在以后的学习生活中不断加强自我学习的能力，努力完善自己。参考文献1Sergio Franco.Design with Operational Amplifiers and Analog Inte-grated Circuits.San Francisco State University.2004.082Charles K.Alexander,Matthew N.O.Sadiku.Fundamentals of Electric Circuits.清华大学出版社.2000.123邱关源，罗先觉.电路.高等教育出版社.2006.054童诗白，华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2002.055Walt Jung.运算放大器应用技术手册.人民邮电出版社.2009.016冈村廸夫.OP放大电路设计.科学出版社.2008.087吴友宇，伍时和，凌玲. 模拟电子技术基础.清华大学出版社.2009.0515