電子課程設計---有源高通濾波器設計

1、<p><b>　　電子技術</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　題目有源高通濾波器設計</p><p>　系(部)電子信息與電氣工程系</p><p>　專業(yè)(班級)光電2班</p><p>　姓名</p>

2、<p>　學號</p><p>　指導教師</p><p>　起止日期2015.6.1-2015.6.5</p><p>　　模擬電子技術課程設計任務書</p><p>　　系（部）：電子信息與電氣工程系 專業(yè)：光電信息工程 指導教師：龍英 </p><p>　　長沙學院課程設計鑒定表&l

3、t;/p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、 有源高通濾波器的廣泛應用5</p><p>　　二、 LM741EN芯片引腳功能及其應用5</p><p>　　LM741芯片引腳和工作說明：5</p><p>　　三、 有源高通濾波電路介紹及其工作原理6</p>

4、;<p><b>　　1.濾波電路6</b></p><p>　　2.集成運放電路和反饋電路6</p><p>　　3.二階有源高通電路框架圖：8</p><p>　　四、 有源高通濾波電路的設計8</p><p><b>　?。?）設計方案8</b></p>

5、<p>　?。?）元器件參數計算和選擇（截止頻率的選定）8</p><p>　?。?）對設計的電路進行仿真調試10</p><p><b>　?、俜抡骐娐?0</b></p><p>　?、诓ㄌ貓D幅頻特性10</p><p>　?、鄄ㄌ貓D相頻特性11</p><p>　?、茌斎?/p>

6、波形與輸出波形比較（紅色為輸入波形，藍色為輸出波形）11</p><p>　　五、 有源高通濾波電路的擴展和改良13</p><p>　　四階有源高通濾波電路13</p><p>　　利用記錄儀觀察波形數據13</p><p>　　六、 實訓總結14</p><p>　　七、 參考文獻14</p>

7、;<p>　　有源高通濾波器的廣泛應用</p><p>　　濾波器是減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件，廣泛應用于電力系統(tǒng)、通信發(fā)射機與接收機等電子設備中，它能減弱或消除諧波的危害，對無用信號盡可能大的衰減，讓有用信號盡可能無衰減的通過，從而糾正信號波形畸變。所以，無論信號的獲取、傳輸，還是信號的處理和交換都離不開濾波技術。</p><p>　　在近代電信設備和各類控制系

8、統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛，尤其是有源高通濾波器。它在通訊、聲納、測控、儀器儀表等領域中有著廣泛的應用，有源高通濾波器的優(yōu)劣直接決定產品的優(yōu)劣。所以研究濾波器，具有重大意義。</p><p>　　LM741EN芯片引腳功能及其應用</p><p>　　LM741EN是一種應用非常廣泛的通用型運算放大器。這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低

9、失調電壓調零能力與使用適當的電位。由于采用了有源負載，所以只要兩級放大就可以達到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。電路采用內部補償，電路比較簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設計了完善的保護電路，不易損壞?？蓮V泛應用于各種數字儀表及工業(yè)自動控制設備中。</p><p>　　LM741EN引腳圖 </p><p>　　LM741芯片引腳和工作說明： <

10、;/p><p>　　1和5為偏置(調零端)</p><p><b>　　2為正向輸入端</b></p><p><b>　　3為反向輸入端</b></p><p><b>　　4接地</b></p><p><b>　　6為輸出</b>

11、</p><p><b>　　7接電源</b></p><p><b>　　8空腳</b></p><p>　　有源高通濾波電路介紹及其工作原理</p><p>　　有源高通濾波電路能傳送輸入信號中有用的頻率成分，衰減或抑制無用的頻率成分，并對有用的頻率成分具有一定的電壓放大作用。有源高通濾波電路包

12、括：濾波電路、集成運放和反饋電路三個部分。其中濾波電路能有效濾除無用頻率信號成分，保留有用頻率信號成分。集成運放和反饋電路使電路具有一定的電壓放大作用，使電路濾波特性趨于理想。</p><p><b>　　1.濾波電路</b></p><p>　　根據放大電路的頻率響應，由于電抗元件及半導體管極間電容的存在，當輸入信號頻率過低或過高時，導致放大倍數數值變小，產生超前或

13、滯后的相移。而對于高通濾波電路，當信號頻率較低時，耦合電容和發(fā)射極電容很大，分壓作用不可忽略。由于耦合電容的存在，對信號構成了高通電路，即對于頻率足夠高的信號電容相當于短路，信號幾乎毫無損失地通過；而當信號頻率低到一定程度時，電容的容抗不可忽略，信號將在其上產生壓降，從而導致放大倍數的數值減小且產生相移。</p><p>　　RC網絡在電路中起著重要的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用

14、，通常主要由電阻和電容組成。</p><p>　　其中，高通濾波電路又分為一階、二階和高階，而高階濾波電路可以由低階濾波電路級聯而成。其中一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數衰減慢，過渡帶較寬，幅頻特性衰減小，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。增加RC環(huán)節(jié)，變成二階高通可加大衰減斜率。下圖分為一階、二階高通濾波電路。</p><p>　　2.集成運放電路和反饋電路</p>

15、<p>　　集成運放應用在信號的運算和處理中，以輸入電壓為自變量，以輸出電壓作為因變量。當輸入電壓變化時，輸出電壓將按一定的數學規(guī)律變化，即輸出電壓反映輸入電壓某種運算的結果。</p><p>　　為了實現本設計的通頻帶放大增益，對于基于理想運放的放大電路，采用“虛短”和“虛斷”的分析方法，運放電路中應引入負反饋，使凈輸入量趨于零，才能保證集成運放工作在線性區(qū)。</p><p&g

16、t;　　為了穩(wěn)定輸出電壓，故引入電壓負反饋。運放電路的特征是從集成運放的輸出端到其反相輸出端存在反饋通路。根據設計要求，輸入端是信號電壓源，輸出端要求得到穩(wěn)定的電壓，因此放大電路中應引入電壓串聯負反饋或電壓并聯負反饋。</p><p>　　根據以上分析，可得電路設計：</p><p><b>　　通帶增益：</b></p><p><b&

17、gt;　　特征角頻率：</b></p><p><b>　　等效品質因數：</b></p><p><b>　　傳遞函數：</b></p><p><b>　　歸一化的幅頻響應：</b></p><p>　　巴特沃斯傳遞函數及其歸一化幅頻響應：</p>

18、<p><b>　　歸一化響應：</b></p><p>　　3.二階有源高通電路框架圖：</p><p>　　有源高通濾波電路的設計</p><p><b>　?。?）設計方案</b></p><p>　　將二階高通濾波電路、集成運放電路和反饋電路按框架圖連接起來，可得到一個二階有源高

19、通濾波器電路，并在輸入和輸出端口分別連上波特圖示儀和示波器觀測輸入信號與輸出信號的變化，調節(jié)輸入信號的頻率，從而判斷本電路是否起到衰減或抑制截止頻率以下的頻率的作用。下圖為基本電路設計。</p><p>　?。?）元器件參數計算和選擇（截止頻率的選定）</p><p>　　由于理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶，

20、在過渡帶內的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實際濾波器的特性曲線無明顯的轉折點，故需用更多參數來描述。</p><p>　　理想濾波電路的頻率響應在通帶內應具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內其幅值應為零。實際的濾波電路往往難以達到理想的要求。如果同時在幅頻和相頻響應兩方面都滿足要

21、求就更為困難。由于巴特沃斯濾波電路的幅頻響應在通帶中具有最平幅度特性，所以本次設計采用巴特沃斯有源高通濾波電路。</p><p>　　已知截止頻率f=1/2πRC，而巴特沃斯濾波器中Q=0.707，其輸出響應幅度表達式為：</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　下面以截止頻率=200Hz設計電路中器件參數選擇。<

22、/p><p>　?、?R的值一般選取幾千歐到幾百千歐。電容選用0.033μF</p><p>　　則 = 1/2π*200Hz*0.033μF*=24.11kΩ≈24kΩ</p><p>　?、?由于是巴特沃斯濾波器，Q=0.707，即：</p><p>　　=3-=3-=1.586，則=0.586</p><p>　　

23、③ 平衡電阻必須滿足平衡條件，即并聯的值為2R，于是有：</p><p>　　于是可以解得：≈130kΩ，≈76kΩ.</p><p>　　經上述計算，可以選定二階高通濾波電路的元件參數為：</p><p>　　=130kΩ =76kΩ</p><p>　　R=24.11kΩ C=0.033μF</p>

24、<p>　?。?）對設計的電路進行仿真調試</p><p><b>　?、俜抡骐娐?lt;/b></p><p>　　根據設計的高通濾波電路和計算出來的元件參數，在Multisim10 中對電路進行仿真調試，其中分別在電路輸入與輸出兩端連上波特圖示儀和示波器，對輸入與輸出的波形進行監(jiān)測，從而驗證電路是否具有衰減或抑制截止頻率以下的頻率的作用。</p>

25、<p>　　用2V交流電源（頻率可變）作為輸入信號，在電壓信號幅值不變的前提下，改變其頻率，便可測得電路對不同頻率的信號的濾除作用。下圖為Multisim10中的仿真原理圖。</p><p><b>　?、诓ㄌ貓D幅頻特性</b></p><p>　　由右圖可以看出，當f小于203.87Hz時，隨f升高而增大。則表明頻率越接近203.87Hz，信號就能通過

26、電路放大并能有完整輸出。則截止頻率約為200Hz，與預期選定設置的截止頻率相符。</p><p><b>　?、鄄ㄌ貓D相頻特性</b></p><p>　　相頻特性圖如圖所示，截止頻率為203.87HZ,與所設計相符合。</p><p>　　④輸入波形與輸出波形比較（紅色為輸入波形，藍色為輸出波形）</p><p>　　

27、（1）當輸入頻率小于200HZ的時：</p><p>　　f=10HZ時 f=50HZ時</p><p>　　f=100HZ時 f=150HZ時</p><p>　　當輸入頻率等于200HZ的時：</p&

28、gt;<p>　　當輸入頻率大于200HZ的時：</p><p>　　f=250HZ時 f=300HZ時</p><p>　　當輸入信號頻率分別為10Hz、50Hz、100Hz、150Hz時，輸入電壓為2V，而輸出電壓僅有毫伏級別，則可以看出信號被大大抑制，達到了濾波作用。而10Hz、50Hz、10

29、0Hz、150Hz小于100Hz，與預期結果相符。</p><p>　　當輸入信號頻率等于截止頻率200Hz時，信號能通過電路并能放大輸出，與預期結果相差不大。</p><p>　　當輸入信號頻率為250Hz、300Hz，輸入電壓為2v時，信號被放大輸出為2.593V、2.633V與預期相差不大。</p><p>　　有源高通濾波電路的擴展和改良</p>

30、<p>　　由于濾波器的設計任務是根據給定的技術指標選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器的技術指標有通帶和阻帶之分，通帶指標有通帶的截止頻率（沒有特殊的說明時一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸增益。阻帶指標為帶外傳輸增益的衰減速度。</p><p>　　根據以上的計算和設計，完成了簡單的二階有源高通濾波電路。但是由幅頻特性圖可以看出，二階高通濾波器濾波效果不夠好，幅頻特性衰減率較低。故考慮采用更高

31、階數的有源率波電路，但采用反相輸入設計時，系統(tǒng)的傳輸函數較復雜，故采用同相輸入設計，階數過高則電路復雜，成本高。因此，設計了一個四階有源濾波電路擴展改良。 </p><p>　　四階有源高通濾波電路</p><p>　　利用記錄儀觀察波形數據:</p><p><b>　　實訓總結</b></p><p>　　有源高通濾

32、波電路能傳送輸入信號中有用的頻率成分，有效衰減或抑制無用的頻率成分，并對有用的頻率成分有一定的電壓放大作用。有源高通濾波電路應包括：濾波電路、集成運放、反饋電路三個部分。濾波電路能有效濾除無用頻率信號成分，保留有用頻率信號成分。集成運放和反饋電路使電路具有一定的電壓放大作用，使電路濾波特性趨于理想。二階有源高通濾波電路在濾波效果、幅頻特性衰減率方面相對高階段濾波電路要差。但是通過兩節(jié)二階濾波電路級聯可構成四階甚至跟高階的濾波電路，使其幅

33、頻特性曲線更接近理想的特性。</p><p>　　在使用Multisim 10軟件中進行仿真實驗時，我對二階高通濾波電路的頻率特性和不同頻率下的輸出信號進行了分析，電路能有效濾除或衰弱截止頻率為200Hz以下的電壓信號，能完整傳送頻率200Hz以上的電壓信號，并對其有一定放大作用，最終結果基本達到了預期要求。</p><p>　　但是個人覺得本次設計還存在很多不足，在分析運算放大器時，是將

34、運放當成理想運放來考慮的，所以在實際中肯會有些許偏差。實際電路中會與設計中的一些電阻或電容的參數有些偏差，可能導致截止頻率少許偏高或偏低。另外，對于高于截止頻率的信號，雖然電路能完整的輸出并一定的放大，但是會有或多或少的相位移。</p><p>　　若能很好的控制電路元器件的參數使電路完整輸出高于截止頻率的信號成分并不產生較大相位移，則有源高通濾波電路的功能就會更趨于理想狀態(tài)。</p><p&

35、gt;　　本次課程設計是我們的第一次課程設計，在設計過程中我們遇到許多不懂的專業(yè)知識，大家都是在網上查閱了解，所以在以后的實踐設計中希望老師能夠多加指導，這樣可以幫我們節(jié)省更多時間，提高做設計的效率，但也因為這樣才使得我們有更多的機會去獨立思考和實踐。希望學校以后能夠給我們更多這樣的實踐機會，這樣才能真正的加強我們的專業(yè)技能，為以后的工作奠定好基礎。</p><p>　　本次課程設計也改變了我們對專業(yè)知識的認識，

36、加深了對專業(yè)知識的了解，從本質上加強了我們對專業(yè)的興趣。 在以后的課程設計中希望學校盡量出一些往屆沒有做過的課題，不能從網上找到一模一樣的題目，這樣才能真正考驗同學們的能力，讓我從全新的設計中學習更多的知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】熊幸明，張躍勤，張文希，郭民利，雷敏.[M].清華大學出版社</p>&l