信息与电气工程学院电子电路仿真及设计CDIO三级项目设计说明书（2013/2014学年第二学期）题目：高通滤波器系统仿真及设计专业班级：通信工程班目录第一章文氏桥振荡器-------------------------------------------------1 1.1振荡器的设计及要求 ---------------------------------------------1 1.2系统工作原理 ---------------------------------------------------1 1.3电路设计原理图，实物图, 参数计算及仿真 --------------------------2第二章高通滤波器---------------------------------------------------6 2.1实际滤波器的基本参数--------------------------------------------6 2.2滤波器的设计目的------------------------------------------------6 2.3设计要求--------------------------------------------------------7 2.4系统的设计方案--------------------------------------------------7 2.5系统工作原理----------------------------------------------------7 2.6滤波器设计仿真，仿真结果，实物图，实测结果----------------------7 第三章合成电路----------------------------------------------------11 3.1合成电路仿真图-------------------------------------------------11 3.2焊接成品-------------------------------------------------------12 第四章心得体会----------------------------------------------------14 附录---------------------------------------------------------------14 参考文献-----------------------------------------------------------14第一章文氏桥振荡器1.1 振荡器的设计及要求(1）设计任务：根据文氏桥原理设计一正弦波振荡器。
(2）设计要求：文氏桥正弦波振荡器频率可调（频率500～10KHZ，振幅0.5～4V），能满足该滤波系统所要求的频率范围和幅度。
1.2 系统工作原理该电路由三部分组成：作为基本放大器的运放；具有选频功能的正反馈网络；具有稳幅功能的负反馈网络。
文氏桥振荡器原理图如下图1所示：图1 文氏桥振荡器原理图从电路构成看，电路有两个“桥臂”构成，R1，R F构成负反馈桥臂，并联RC 网络和串联RC网络再串联构成正反馈桥臂，即文氏桥振荡器既有正反馈也有负反馈。
负反馈增益:A1=1+R F/R1 (1-a) 正反馈增益A2(jf)=1/(3+j(f/f0-f0/f)) (1-b) 总增益A(jf)=A1×A2(jf)= (1+R F/R1)/(3+j(f/f0-f0/f)) (1-c)先定性分析：上式中f0=12пRC频率无穷低时，即f趋于0时，f/f0趋于无穷大，总增益趋于零。
频率无穷高时，即f趋于∞时，f/f0趋于无穷大，总增益趋于零。
直观判断，是一个带通网络，事实上，的确如此，并且增益的峰值出现在f=f0，此时A（jf）=（1+R F/R1）/3即：A（jf）是实数，也就是说，频率为f0的信号经过环路一周后，其相移为0。
R F/R1的值不同时，电路出现下述三种情况：(1) A<1时，假如电路有一个扰动，扰动每经过环路一次，信号被衰减，负反馈占“上风”，电路是稳定系统，最终扰动趋于零。
(2) A>1时，假如电路有一个扰动，扰动每经过环路一次，信号被放大，正反馈占“上风”，电路是不稳定系统，出现幅度不断增大的震荡。
(3) A=1时，负反馈与正反馈“旗鼓相当”，电路为中性的稳定状态，出现扰动时，频率为f0的信号分量维持原有大小，无限持续下去。
显然，上述电路还会有问题，首先，实际不可能做到A=1，其次，振荡器的输出幅值不可控，为此，最好开始时，振荡幅值足够大之前，A>1，震荡幅值达到预定的幅值之后，A=1，显然，这样的电路，需要加入一些非线性环节。
如图2所示图2 加非线性系统的文氏桥振荡器原理图1.3电路设计原理图，实物图, 参数计算及仿真1.3.1 电路设计原理图（仿真图）如图3所示图3 文氏桥振荡器仿真电路图1.3.2参数计算(1)电路震荡频率计算： f=1/2πRC (1-d)起振条件：Rf/Ri>=2 其中 Rf=Rw+R2+R3/Rd 由其电路元件特性R=10kC=33nf产生自激震荡，微弱的信号 1/RC 经过放大，通过反馈的选频网络,使输出越来越大，最后经过电路中非线性器件的限制,使震荡幅度稳定了下来，刚开始时Av=1+Rf/Ri >3。
平衡时 Av=3。
(2)在实物焊接中采用同轴电位器，固定电容的值，通过转动同轴电位器同时改变两个电阻的值，从而改变文氏桥振荡器的输出频率。
(3)再者就是振荡器的起振时间，电阻R5确定起振时间，其值越大，起振时间越短，其值越小，震荡时间越长。
(4)直流电源电源的选取：选择实验室提供的正负5V电源，可以满足集成块的性能指标，输出在一定范围内可以满足，但是如果输出很大时，就会出现失真。
严重影响测试结果。
1.3.3仿真结果示波器仿真输出波形图如图4所示：图4 示波器仿真输出波形(1) 从示波器输出波形可以看出振荡器可以输出稳定的正炫波信号，且无明显失真，观察幅值可以得出振荡器可以输出约为1.6V的电压，在输出电压峰值范围内，想得到任意值得电压，可以在输出端加一个电位器实现分压的作用，从而得到规定的电压值。
(2) 文氏电桥振荡器的优点是：不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。
(3) 加入非线性环节后，负反馈网络原来的反馈电阻可能取的值将比不加非线性环节时小一些，输出信号也有可能取到比原来更小的幅值。
如果非线性环节由二极管和电阻并联组成，那么无论是调节非线性环节的电阻，还是调节负反馈网络中的其他电阻，都可以让输出波形的幅值变大。
通过负反馈网络调节输出信号幅值的过程中，非线性环节中的电阻由于受到并联二极管的动态电阻的制约，在其阻值足够高时将失去对输出信号的调节作用。
(4)调节负反馈网络中与非线性环节并联的其他反馈电阻，将会使输出信号的幅值产生比较明显的变化。
1.3.4实测示波器输出波形文氏桥振荡器示波器输出波形如图5所示：图5 实测示波器输出波形图1.3.5振荡器实物图文氏桥振荡器实物图如图6所示：图6 文氏桥振荡器焊接实物图第二章高通滤波器2.1实际滤波器的基本参数理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。
在通带和阻带之间存在一个过渡带，在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。
当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。
因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。
理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，故需用更多参数来描述。
纹波幅度d：在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。
截止频率f0：是高通滤波器通带与阻带的界限频率。
幅频特性值等于0.7070A0所对应的频率称为滤波器的3dB截止频率。
以A0为参考值，0.7070A对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB带宽B和品质因数Q值:上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。
带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。
在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。
品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数，Q=0.5ξ（ξ--阻尼率）。
对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。
例如一个中心频率为500Hz 的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。
Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。
滤波器的截止频率用来说明电路频率特性指标的特殊频率。
当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。
在高频端和低频端各有一个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。
dB的计算公式是20*log10(x),x为信号某一个频率上的幅值。
用滤波器去测试其截止频率，保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，所测值为其截止频率。
滤波器的带宽为两个截止频率之间的频率范围，又称为通频带2.2滤波器设计目的(1) 了解高通滤波器的组成及原理(2) 掌握元器件参数的选择，学会焊接电路板(3) 熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法(4) 学会使用multisim仿真2.3设计要求(1)下限截止频率为1.6Khz；(2)增益A v=2～5；2.4系统的设计方案图（a）是一个二阶高通滤波器。
图中虚线部分是一个无源二阶高通滤波器电路，为了提高它的滤波性能和带负载的能力，将该无源网络接入由运放组成的放大电路，组成二阶有源RC高通滤波器。
高通滤波电路的传递函数为:2.5系统工作原理二阶有源高通滤波电路如上图（a）所示，由图可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
二阶有源高通滤波器（1）截止频率的计算f=1（2-2пRCa）（2）增益的计算A up=1+R f/R1 (2-b)| (2-（3）品质因数的计算Q=|13−A upc)由此可画出其幅频响应曲线，如上图（b）2.6滤波器设计仿真，仿真结果，实物图，实测结果2.6.1滤波器设计仿真①仿真电路图如图7所示：图7 高通滤波器仿真电路图②参数选择(1)电阻R和电容C决定下限截止频率，通过f=1/2пRC我们选择R=3.2KC=33nF,计算得到下限截止频率为1507hz。