rc有源濾波器的課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　，</b></p><p>　　2011 ~ 2012 學(xué)年 第 二 學(xué)期</p><p>　　《 RC有源濾波器的設(shè)計(jì) 》</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　題 目： RC有源濾波器的設(shè)計(jì) </p><

2、p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： 10自動(dòng)化（2） </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>

3、<p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2012年5月25日</p><p><b>　　1、任務(wù)書</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬電子技術(shù)已經(jīng)成為一門應(yīng)用范圍極廣，具有較強(qiáng)實(shí)踐性的

4、技術(shù)基礎(chǔ)課程。電子電路分析與設(shè)計(jì)的方法也發(fā)生了重大的變革，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，更好的將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，以適應(yīng)電子技術(shù)飛速的發(fā)展形勢(shì)，我們必須通過對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的理解，從而進(jìn)一步提高我們的實(shí)際動(dòng)手能力。</p><p>　　濾波器在日常生活中非常重要，運(yùn)用非常廣泛，在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很

5、方便地構(gòu)成各種濾波器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的濾波器與其他濾波器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。</p><p>　　濾波器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過對(duì)濾波器器的原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠低通、高通、帶寬、阻帶等多種形式的濾波器。我們通過對(duì)電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最合適本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟(jì)、最方便、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案

6、選擇具體的元件，焊接出具體的實(shí)物，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)事物進(jìn)行調(diào)試，觀察效果是否與課題要求的性能指標(biāo)作對(duì)比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章RC有源濾波器總方案設(shè)計(jì)...........................................5</p><p>　　1.1

7、 方案框圖.............................................5</p><p>　　1.2 子框圖的作用.........................................5</p><p>　　1.3 方案選擇.............................................5</p>&l

8、t;p>　　第二章 RC低通有源濾波器的設(shè)計(jì)..........................................7</p><p>　　2.1低通濾波器的電路設(shè)計(jì)...................................7</p><p>　　2.2低通濾波器的設(shè)計(jì)原理...................................7</p&g

9、t;<p>　　2.3 參數(shù)選擇.............................................7</p><p>　　2.4 仿真.................................................7</p><p>　　2.5 小結(jié)........................................

10、.........9</p><p>　　第三章 RC高通有源濾波器的設(shè)計(jì).........................................10</p><p>　　3．1 高通濾波器的電路設(shè)計(jì)..............................10</p><p>　　3.2 高通濾波器的設(shè)計(jì)原理....................

11、...........10</p><p>　　3.3 高通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)...............................11</p><p>　　3.4 仿真...... ........................................11</p><p>　　3.5 小結(jié)...........................

12、....................12</p><p>　　第四章 RC帶通有源濾波器的設(shè)計(jì)...........................................14</p><p>　　RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)............................14</p><p>　　C有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理.. ..........

13、.... .......14 </p><p>　　4.3 參數(shù)計(jì)算...........................................14</p><p>　　4.4 仿真...............................................14</p><p>　　4.5 小結(jié)...................

14、............................16</p><p>　　第五章 RC帶阻有源濾波器的設(shè)計(jì)...........................................18</p><p>　　5.1 有源帶阻濾波電路的設(shè)計(jì)............................18</p><p>　　5.2 有源帶阻濾波電路的

15、設(shè)計(jì)原理. ......................18</p><p>　　5.3 參數(shù)計(jì)算..........................................18</p><p>　　5.4 仿真...............................................18</p><p>　　5.5 小結(jié).......

16、.................................................20</p><p>　　總結(jié)與體會(huì).............................................................21</p><p>　　參考文獻(xiàn)...................................................

17、............21</p><p>　　附錄...................................................................22</p><p>　　答辯記錄及評(píng)分表.......................................................23</p><p>　　第

18、一章 總方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1．1方案框圖 </b></p><p>　　圖1-1 RC有源濾波總框圖</p><p>　　1. 2.子框圖的作用</p><p><b>　　. RC網(wǎng)絡(luò)的作用</b></p><p>　　在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作

19、用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。</p><p><b>　　. 放大器的作用</b></p><p>　　電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。</p><p>　　.反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 <

20、;/p><p>　　將輸出信號(hào)的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。</p><p><b>　　1. 3.方案選擇</b></p><p>　　濾波器在通信測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻（通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波

21、器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。</p><p>　　用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz～106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-3～10～10-5）/

22、攝氏度，頻率精度為+（3～5）%，并可用簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)來得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。</p><p>　　濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒有特殊的說明時(shí)一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。</p><p>　　

23、關(guān)于濾波器類型的選擇</p><p>　　一階濾波器電路最簡(jiǎn)單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好</p><p><b>　　級(jí)數(shù)選擇</b></p>

24、<p>　　濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。</p><p>

25、<b>　　運(yùn)放的要求</b></p><p>　　在無特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開環(huán)增應(yīng)在80dB 以上。對(duì)運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為Fh,則運(yùn)放的單位增益寬帶應(yīng)滿足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。</p><p>　　如果濾波器的輸入

26、信號(hào)較小，例如在10mV以下，則選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100kΩ，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。</p><p><b>　　元器件的選擇</b></p><p>　　一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc (ωc)帶內(nèi)增益Av，以及品質(zhì)因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制

27、元件取值的參數(shù)之?dāng)?shù)目，因此有許多個(gè)元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。</p><p>　　第二章 RC有源低通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　——簡(jiǎn)單一階低通濾波器</p><p>　　2.1有源低通濾波器的電路設(shè)計(jì)：<

28、;/p><p>　　設(shè)計(jì)一階有源低通濾波器的實(shí)際電路如下圖</p><p>　　圖 2-1 簡(jiǎn)單一階低通濾波器</p><p>　　2.2一階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)原理：</p><p>　　傳遞函數(shù)：AU(S)=UO(S)/Ui(S)=(1+R2/R1)UP(S)/Ui(S)</p><p>　　=（1+R2/R1）1/

29、(1+sRC)</p><p>　　用jw取代s，且令f0=1/2piRC,得出電壓放大倍數(shù)：</p><p>　　AU=(1+R2/R1) ·1/(1+jf/f0)</p><p>　　其中f0稱為特征頻率。令f=0，可得到通帶放大倍數(shù)</p><p>　　AUP=1+R2/R1</p><p><b

30、>　　2.3參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　集成運(yùn)放：OPAMP 3T VIRTUAL</p><p>　　參數(shù)選擇： 電容C=0.01uf</p><p>　　fH=1/2piRC→R=16KΩ</p><p>　　取R1=R2=1KΩ</p><p><b>　　2. 4 仿真&

31、lt;/b></p><p>　　1.一階有源低通濾波器在multisim中的仿真圖如下：</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　2.輸入輸出波形如下：</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>　　A通道是輸出波，輸入的

32、為正弦波；B通道是輸入波，輸出的也為正弦波。</p><p><b>　　3.相頻特性如下：</b></p><p><b>　　圖2-4</b></p><p><b>　　4.幅頻特性如下：</b></p><p><b>　　圖2-5</b><

33、/p><p><b>　　2.5小結(jié)：</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)有源低通濾波器時(shí)，由于沒有參數(shù)要求，所以本次課題設(shè)計(jì)中選擇了常用一階電路，選擇的截止頻率為1000HZ。通過示波器得到的波形，發(fā)現(xiàn)輸入和輸出是頻率相等的正弦波。在幅頻特性曲線中，可以看出一階低通濾波器的過渡帶較寬，阻帶衰減太慢，幅頻特性的最大衰減斜率僅為-20db/十倍頻，所以我們可以知道低通濾波器

34、的選擇性較差。</p><p>　　第三章 RC有源高通濾波器</p><p>　　——壓控電壓源二階高通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1壓控電壓源二階高通濾波器的電路設(shè)計(jì)：</p><p>　　設(shè)計(jì)壓控電壓源二階高通濾波器的實(shí)際電路如下圖</p><p>　　圖 3-1 壓控電壓源二階高通濾波器</

35、p><p>　　3.2二階高通濾波器的設(shè)計(jì)原理：</p><p><b>　　電路的傳遞函數(shù):</b></p><p>　　2.電路的通帶放大倍數(shù)：</p><p>　　3．電路的截止頻率：</p><p>　　4.電路的品質(zhì)因素：</p><p><b>　　3.3

36、參數(shù)選擇：</b></p><p><b>　　Rf=5.1kΩ </b></p><p>　　R1=5.1kΩ </p><p>　　C=0.01uF </p><p><b>　　R=10kΩ</b></p><p>　　計(jì)算得：Auo=2 fc=312

37、0Hz</p><p><b>　　3.4 仿真</b></p><p>　　1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：</p><p><b>　　圖 3-2</b></p><p>　　2.輸入輸出波形如下：</p><p><b>　　圖 3-3&

38、lt;/b></p><p><b>　　3.幅頻特性如下：</b></p><p><b>　　圖 3-4</b></p><p><b>　　4．相頻特性如下：</b></p><p><b>　　圖 3-5</b></p><

39、;p><b>　　小結(jié)：</b></p><p>　　該高通濾波器的通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。從圖中可以看出截止頻率與理論計(jì)算值誤差很小，所以本方案可行。</p><p>　　第四章 RC有源帶通濾波器</p><p>　　——無限增益多路反饋高通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p&

40、gt;　　4.1 RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)多路反饋高通濾波器電路圖如下</p><p>　　圖4-1 多路反饋高通濾波器</p><p>　　4.2 多路反饋高通濾波器的設(shè)計(jì)原理：</p><p>　　Auf = =1+ </p><p>　　當(dāng)C1=C2=C, R1=R3=R, R2=2

41、R時(shí)，電路的傳遞函數(shù):</p><p>　　Au(s)=Auf(s)(SRC/1+[3-Au f(s)]SRC+SRC^2)</p><p><b>　　4.3參數(shù)選擇</b></p><p>　　R1=3kΩ R2=1.5kΩ </p><p>　　R3=300 Ω R4=1.5kΩ </p>&

42、lt;p><b>　　R5=40kΩ </b></p><p>　　C1=C2=0.01uF </p><p><b>　　4.4仿真</b></p><p>　　1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：</p><p><b>　　圖4-2</b>&l

43、t;/p><p>　　2.輸入輸出波形如下：</p><p><b>　　圖4-3</b></p><p><b>　　3.相頻特性如下：</b></p><p><b>　　圖4-4</b></p><p><b>　　4.幅頻特性如下：<

44、/b></p><p><b>　　上截止頻率：</b></p><p><b>　　圖4-5</b></p><p><b>　　下截止頻率：</b></p><p><b>　　圖4-6</b></p><p><b

45、>　　5.小結(jié)</b></p><p>　　由此電路可知，電阻R1與C組成低通濾波器，后面一個(gè)電容C與電阻R2組成高通濾波器，二者串聯(lián)在一起組成帶通濾波器。除此之外，R4與Rf組成同相比例運(yùn)算電路，R3則是為改善電路特性而引入的反饋。帶通濾波器只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。注意：要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。

46、</p><p>　　第五章 RC有源帶阻濾波器</p><p>　　5.1 RC有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)多路反饋高通濾波器電路圖如下：</p><p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　5.2 多路反饋高通濾波器的設(shè)計(jì)原理：</p><

47、;p>　　中心頻率fo=1/2πRC;</p><p>　　帶寬 f2-f1=2（2-Kf）；</p><p>　　增益 Kf=1+RF/Rf;</p><p>　　Q點(diǎn) Q=1/2(2-Kf)；</p><p><b>　　5.3參數(shù)選擇</b></p><p>　　R1

48、=R2=2R3=78k；</p><p>　　C1=C2=C3/2=1.0nF；</p><p>　　R5=RF=10k R4=Rf=8k;</p><p><b>　　5.4仿真</b></p><p>　　1. 二階高通濾波器在multisim中的仿真圖如下：</p><p><b&g

49、t;　　圖5-2</b></p><p>　　2.輸入輸出波形如下：</p><p><b>　　圖5-3</b></p><p>　　幅頻特性如下：下截止頻率：</p><p><b>　　圖5-4</b></p><p><b>　　上截止頻率：&l

50、t;/b></p><p><b>　　圖5-5</b></p><p><b>　　相頻特性如下：</b></p><p><b>　　圖5-6</b></p><p><b>　　4.小結(jié)：</b></p><p>　　有

51、源帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于確定電路圖，我設(shè)計(jì)的方案必須自己構(gòu)思不能和課本上的一樣，在經(jīng)過一系列的查詢和思考后才確定了該方案，在仿真中也有一些相位失真，說明這個(gè)有源帶阻濾波器的方案還有需要改進(jìn)的地方，外圍電路中的電阻電容值還不夠好。但限于時(shí)間和能力，只能做成這個(gè)樣子。并且我也從中收獲了不少的東西。不過我覺得總體上應(yīng)該沒太大的錯(cuò)誤吧 雖然設(shè)計(jì)原理不是自己的，但是通過本次設(shè)計(jì)對(duì)有源帶阻濾波器有了更為深刻的認(rèn)識(shí)了，收獲頗多!</p>

52、;<p><b>　　總結(jié)與體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過一個(gè)星期的時(shí)間,從任務(wù)分配,閱讀相關(guān)文獻(xiàn),搜索資料到最后編寫,在緊張而有序的氛圍中完成了課題。</p><p>　　第一次接觸到此類課題，感覺無從下手。一方面，由于長(zhǎng)時(shí)間沒有接觸到此類問題的原因;另一方面,就是我們小組對(duì)RC有源濾波器各方面知識(shí)的欠缺。在查找各相關(guān)文獻(xiàn)后得知：濾波器在通信測(cè)

53、量和控制系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。當(dāng)然實(shí)際的濾波器據(jù)此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。</p><p>　　本次課題為RC有源濾波器低通，高通，帶通和帶阻的設(shè)計(jì)。任務(wù)量雖然不多，但設(shè)計(jì)時(shí)卻比較棘手，再把電路圖設(shè)計(jì)好后，我們還需要對(duì)各器件設(shè)置一定的參數(shù)使其控制在課題給定的要求范圍內(nèi)。最后，進(jìn)行仿真。從仿真

54、中得出的結(jié)果來驗(yàn)證這些參數(shù)的準(zhǔn)確性。整個(gè)過程度比較繁瑣，單靠個(gè)人來完成就更加困難了，所以需要一個(gè)小團(tuán)隊(duì)來共同完成。從中我們也體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的力量和樂趣，也學(xué)會(huì)了很多書本以外的知識(shí)。</p><p>　　此次課題的制作也在一定程度上增強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力和從茫茫文獻(xiàn)中提取有用知識(shí)的能力，從中我們也認(rèn)識(shí)到了自身專業(yè)知識(shí)的欠缺，今后需要更加努力。整個(gè)過程雖累但并快樂著！</p><p><

55、b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.《電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試》華中科技大學(xué)出版社。</p><p>　　2.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》 康華光 高等教育出版社。</p><p>　　3.《模擬電子技術(shù)》胡宴如 主編 高等教育出版社。</p><p>　　4.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》童詩(shī)白，華成英 主