课程设计说明书

课程设计名称：        模拟电子技术基础                         

课程设计题目：       二阶带通滤波器的设计                       

学 院 名 称：        信息工程学院                          

      专业：        通信工程           班级：             

      学号：                        姓名：               

      评分：                           教师：      李忠民     

      20      13      年     3     月     15   日

 

  模拟电路   课程设计任务书

20 12 －20 13 学年 第 2学期　第 1 周－ 3 周 

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

带通滤波器，是有选择性传输特定频率范围内信号的电路称为滤波器，其功能是：允许规定频率范围内的有用信号通过，不允许规定之外的干扰信号通过。本文重点介绍了带通滤波器工作原理以及设计方法。介绍了高低通滤波器的工作原理。设计了一个由高通滤波电路和低通滤波电路级联而组成的带通滤波，给出了系统的电路设计方法以及主要模块的原理分析。实验结果表明，该滤波器具良好的滤波效果以及运行稳定可靠等优点。

关键词：带通滤波器 参数设计 稳定可靠

目录

前 言…………………………………………………………………………………………1

第一章    设计内容及要求…………………………………………………………………

  1.1设计内容……………………………………………………………………………………

  1.2设计要求…………………………………………………………………………………….

第二章   设计方案的选择………………………………………………………………………

  2.1方案一……………………………………………………………………………………

  2.2方案二…………………………………………………………………………………….

第三章   系统的组成及工作原理…………………………………………………………….

  3.1系统的组成………………………………………………………………………………

  3.2低通滤波器电路…………………………………………………………………………

  3.3高通滤波器电路…………………………………………………………………………

  3.4工作原理………………………………………………………………………………….

第四章   电路设计、仿真调试…………………………………………………………………

   4.1电路设计…………………………………………………………………………………

       4.1.1二阶压控电压源带通滤波器设计………………………………………………

       4.1.2二阶无限增益多路负反馈带通滤波器电路…………………………………….

   4.2仿真调试…………………………………………………………………………………

第五章   实验、调试及测试结果与分析………………………………………………………

   5.1实验步骤………………………………………………………………………………..

   5.2数据记录…………………………………………………………………………………

   5.3实验分析…………………………………………………………………………………

第六章   实验结论与体会………………………………………………………………………

第七章   参考文献………………………………………………………………………………

第八章   附录……………………………………………………………………………………

   8.1  附录1……………………………………………………………………………………

   8.2  附录2……………………………………………………………………………………

   8.3  附录3……………………………………………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前言

近几年随着冶金、化工、纺织机构等工业使用的各种非线性用电设备而产生的大量的高次谐波，已导致电网上网正常波形发生严重畸变，影响到供电系统的电能质量和用户用电设备的安全经济运行。 

随着生产技术方式的变化，生产力确实得到较大提高，可同时也受到方方面面的限制。如当人们做出了具体的制度设计需要付诸实践进行试验，试验过程中不可避免地会受到一些偶然随即因素的干扰，为评价新方案的效果，需排除这些随即因素的影响，即需要一个滤波器。经滤波以后对新方案的效果进行检验。

有源滤波器一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。

利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。

若将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的通带截止频率fp2大于高通滤波器的通带截止频率fp1，则频率在fp1<f<fp2范围内

第一章    设计内容及要求

1.1设计内容

1）分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；

2）中心频率fO=1KHz；

3）增益AV＝2；

4）品质因数Q＝10。

1.2设计要求

5）实现低于fp2的信号能够通过

设计一个RC低通滤波器，使得其截止频率为fp2，即当有信号输入时，只有低于fp2的信号可以通过，高于fp2的信号将被过滤掉。

6）实现高于fp1的信号能够通过

   设计一个RC高通滤波器，使得其截止频率为fp1，即当有信号输入时，只有低于fp1的信号可以通过，高于fp1的信号将被过滤掉。

3）压控电压源二阶带通滤波电路设计

   运算放大器设计为同相接法，滤波器的输入阻抗较高，输出阻抗较低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。

4）无限增益多路负反馈二阶带通滤波电路设计

   运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。

第二章    设计方案的选择

2.1  方案一

本方案电路分为两部分，即由R1和C1组成一个低通滤波器，再由R2和C2组成一个高通滤波器，R3引入正反馈，实现输出电压（即电压源）对电压放大倍数的控制，即为压控式带通滤波器。再根据低通截止频率和高通截止频率来确定各R和C的值。

2.1  方案二

本方案设计原理同样是有一个低通滤波器串连一个高通滤波器组成的，但是无限增益多路负反馈电路通过改变Rf的连接，改善f0附近的频率特性，实现多路反馈效果。

第三章    系统的组成及工作原理

3.1、系统的组成

二阶有源带通滤波器是由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成的，主要是通过低通滤波器将输入的信号进行滤波，使得只有低于设计要求的频带中最高频率的信号才能通过，再通过高通滤波器使得只有高于设计要求的频带较低频率的信号才能通过。

3.2、低通滤波器电路

将RC无源低通滤波器的输出端接同相比例运算电路的输入端即可构成一个一阶低通滤波器。

3.3、高通滤波器电路

高通滤波器和低通滤波器有对偶关系，只需要将低通滤波器电路中的RC调换就可以组成一个高通滤波器电路。

3.4、工作原理

本次设计的二阶有源带通滤波器的设计要求是：中心频率f0=1KHz；增益AV＝2；品质因数Q＝10。由于中心频率是1KHZ，品质因数Q＝10，所以可以算得滤波器的带宽是100HZ，也就是滤波器的带宽在950HZ——1050HZ，根据前面的设计构想，二阶有源带通滤波器是由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成的，使低通滤波器的通带截止频率fp2大于高通滤波器的通带截止频率fp1，则频率在fp1<f<fp2范围内的信号能通过，其余频率的信号不能通过，因而构成了带通滤波器。所以，我们需要设计成低通滤波器的通带截止频率fp2=1050HZ，高通滤波器的通带截止频率fp1=950HZ，当有信号输入时，先经过低通滤波器电路，只有低于低通滤波器的通带截止频率fp2=1050HZ信号才能通过，其他的信号被过滤，然后再经过高通滤波器电路，只有大于高通滤波器的通带截止频率fp1=950HZ的信号才能通过，这样经过放大器后的电路就只剩下带宽为950HZ——1050HZ的信号。

第四章    电路设计、参数计算、器件选择

4.1.电路设计

4.1.1二阶压控电压源带通滤波器设计

根据前面的设计思路结合课本的电路，很快可以设计出电路图4.1.1：

        图4.1.1压控电压源滤波器电路图

R1和C1组成了低通滤波器，C2和R2组成了高通滤波器，R3引入正反馈，实现了输出电压对电压放大倍数的控制。通常选取C1=C2，可知同相比例运算电路的比例系数：Auf=1+Rf/R,

品质因数Q=fo/△f=1000/△f=10;

所以△f=100HZ,

式中f0为电路的中心频率，Q为电路的品质因素，Aup为通带的放大倍数

          f0=1/2πRC

          Q=1/3- Auf

               Aup=Auf/(3-Auf)=QAuf

带通电压放大倍数Aup为f=f0时的电压放大倍数。对应不同Q值的对数幅频特性如图：

               图4.1.2对数幅频特性曲线

说明Q值越大，同频带越窄，选频特性越好。根据截止频率的定义，下限频率fp1和上限频率fp2是使得增益下降-3dB，即|Au|=|Aup|/√2时的频率，他们之差称为带宽，|Q(fp/f0-f0/fp)|=1。

可以算的B=（3-Auf）f0=(2-Rf/R)f0

因此可以通过调解Rf或R的阻值来改变通带宽度，且不影响中心频率。综合以上考虑，选择

C1=C2=0.01uf的电容，从而计算得出R=Rf=47KΩ， R1=160KΩ,R2=11.8 KΩ,R3=23.7 KΩ。

仿真电路如下：

图4.1.3仿真调试

4.1.2 二阶无限增益多路负反馈带通滤波器电路

与压控电压源高通滤波电路类似，无限增益多路反馈滤波电路也是通过增加RC环节，使得滤波器的过渡带变窄，衰减斜率值加大，电路如图所示。但不同的是无限增益多路反馈滤波电路通过改变Rf的连接 ，改善f0附近的频率特性，实现多路反馈效果。

图4.1.4是设计电路图：

                                  

1.2.1该电路的传输函数：                  图4.1.4电路设计图

                     

1.2.2通带的中心角频率：

                      

    1.2.3通带中心角频率处的电压放大倍数：

                                                                     

                                   

取C1=C2=0.01uf。计算得R1=8KΩ，R2=320KΩ,R3=56kΩ。

仿真电路如图：

                              图4.1.5方针电路及调试

4.2仿真调试

   根据前面的电路图进行仿真调试，首先连接好电路，将输入信号设定为U=1V,频率为f=1000Hz，

图4.2.1函数信号发生器

图4.2.2仿真调试

观察输入输出波形，及输出波形的波特图情况，再改变输入信号的频率，观察输入频率在远小于950Hz和远大于1050Hz的情况下，输出波形的放大倍数变化情况，计入数据。

第五章            实验、调试及测试结果与分析

5.1实验步骤

在确定好了电路、领到元器件之后，首先对电路进行整体布局，电路焊接步骤大致如下：

1.需要进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体美观；

2.遵循先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等原则；

3. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

4. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久。

焊接好实验电路后，开始进行实验调试。仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通电源调试。然后在电路的输入端加入正弦信号，慢慢改变输入信号的频率（注意保持输入信号的值不变），实验发现，当输入信号的频率在1KHz附近变化时，输出信号没有多大变化，电压放大倍数为2，而当输入信号频率变化较大时，输出信号发生了较大变化，如：输入信号为200Hz时，输出信号的放大倍数为1.73，而当输入信号频率为20KHz时，输出信号放大倍数为0.223。

若没有滤波特性，应检查电路，根据产生的问题，加上对原理图的分析，首先找到可能出错的地方，前期调试实验过程中发现，波形不稳定，则可能是由于芯片接的电源，因为其幅值是从截止频率起始的，波动非常大，加入足够容量的电容进行滤波后，因电容的充放电效应，该脉动直流就会变成纹波不大的直流电。还有可能因为示波器或函数信号发生器本身的原因，此时可以用排除法，这样调试的时候可以分块检查，排除到最后就是错误所在。

若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。对于低通和高通滤波器应观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求，应根据有关的公式，确定应调整哪一个元器件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。

除此以外，实验过程中发现的另一个问题，就是放大倍数有时候很难达到要求的大小，这个时候应该调节一下电阻，因为根据前面的设计原理知道，电压放大倍数：

Au=Auf/(3-Auf)x1/[1+j/(3-Auf)x(f/f0-f0/f)]=Aup/[1+jQ(f/f0-f0/f)]

可知放大倍数跟频率有关，而频率的计算是：f0=1/2πRC

其中电容C难以调解，所以只好调解电阻阻值来调解放大倍数。

此外，还需要多次上电调试，调试时应小心谨慎，检查是否有不稳定的情况发生。在调试过程中尤其要注意电路中的虚焊，如果电路不稳定，很有可能是虚焊引起的。

5.2数据记录

数据的记录如下:

表5.2  数据记录

5.3实验分析

在调试过程中遇到的问题：

1.        经过多次调试都不出波形

2.        调试画出来的波形极不稳定

3.        实验数据达不到要求

4.        波形出现大幅度失真

解决方法：

1.检查电路的连线是否有松动

2.检查电路跟仪器间的连接是否有错误

3．检查芯片是否烧坏

4. 重新仿真，检验仿真的效果，计算各阻值

4.由于市场上卖的电阻的阻值不一定准，所以将所有的固定电阻换成电位器，将电路连好检查无误后，将中心频率调到1kHz并用小螺丝刀转动电位器改变阻值，用万用表测量并记录下阻值的大小，同时观察示波器上的波形，调动示波器直到出现符合要求的数据

6.波形的不稳定可能由于虚焊造成，排除虚焊点

第六章      实验结论与体会

   本次的模电课设，我们学到了大量的电路分析，各种电路的应用功能，但在实际应用中却显得有点欠缺，而这次的课程设计，我们学会了比较电路在实际物体模块制作过程中的使用方法，同时在资料的查阅中，也学会了其他电路的详细功能及使用，对于自己的实际动手能力是一个很大的提高。学到了很多，也让我发现了自己的很多不足，特别是在实际电路的元件布局和电路参数的设定中，发现自己在很多方面都不太了解，在以后的学习中有待提高。

在本次实验中，得到的中心频率、输出输入电压、增益等数据与理论计算基本吻合，使用了两种方案，都基本达到了设计要求。本次实验是一次很好的经历，从中学到了很多知识，首先，从动手能力上来讲就是一次不错的锻炼，加强了焊锡的能力；另外，本次设计的是一个带通滤波器，这就需要将低通滤波器和高通滤波器的知识结合起来，所以具有一定的综合性，同时需要我们能够很好的应用滤波器电路的知识。了解LM324芯片的作用和其各管脚的接法，以及正、负反馈电路的应用和放大倍数的计算。

通过本次课程设计，作为一个小组，我们在各方面都互相促进，在电路板的焊接方面更是团结合作。从元件的布局合理度，到焊接外观、电路板的复杂度的过程中我们的默契越来越好。

在焊接过程中，应该要遵循着做一部分完成一部分的检测方法，以免在完成电路板焊接后检测突然发现电路板不能正常工作，以至于无法检测电路哪一部分出现问题以进行修正，更进一步会导致整个电路的毁坏。所以在以后的电路实际制作过程中，要做一部分再检测一部分，则可获得很好的经验。本次的课程设计，对我们的实际动手能力有一个很大的提高，并培养了我们查阅资料的能力，对以后的各种工作是有很大的帮助的。

       第七章       参考文献

1.康光华.数字电子技术基础（第五版）[M].北京.高等教育出版社.2006

2.谢自美.电子线路综合设计(第一版) [M].武汉.华中科技大学出版社.2006

3.模拟电子技术基础 第4版 华成英、童诗白 高等教育出版社

4.现代电路理论与设计(高等学校教材·电子信息)  清华大学出版社  2009

                  第八章     附录

8.1附录1：原件清单

（注：原件后面没注明的都是1个）

表8.1 元件清单

8.2附录2：电路设计图

2.1二阶压控电压源带通滤波器设计

电路图如下：

图8.2二阶压控电压源带通滤波器设计

2.2二阶无线增益多路反馈带通滤波器设计

电路图如下：

   

图8.3 二阶无线增益多路反馈带通滤波器设计

8.3附录3：LM324芯片

图8.4LM324芯片俯视图

LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。

应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。