模拟电子技术课程设计报告带通滤波器设计班级:自动化1202姓名:杨益伟学号:120900321日期:2014年7月2日信息科学与技术学院目录第一章设计任务及要求1、1设计概述------------------------------------31、2设计任务及要求------------------------------3 第二章总体电路设计方案2、1设计思想-----------------------------------42、2各功能的组成-------------------------------52、3总体工作过程及方案框图---------------------5 第三章单元电路设计与分析3、1各单元电路的选择---------------------------63、2单元电路软件仿真---------------------------8 第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定---------94、2总体电路软件仿真---------------------------11 第五章电路的组构与调试5、1使用的主要仪器、仪表-----------------------125、2测试的数据与波形---------------------------125、3组装与调试---------------------------------145、4调试出现的故障及解决方法-------------------14 第六章设计电路的特点及改进方向6、1设计电路的特点及改进方向-------------------14 第七章电路元件参数列表7、1 电路元件一览表---------------------------15 第八章结束语8、1 对设计题目的结论性意见及改进的意向说明----168、2 总结设计的收获与体会----------------------16 附图(电路仿真总图、电路图)参考文献第一章设计任务及要求1、1设计概述:带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过、其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。
在滤波器中,信号能够通过的范围称为通频带或通带,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带,通带和阻带之间的界限称为截止频率,由于元件固有特效的限制,通带和阻带之间存在过渡带。
带通滤波器的实际设计过程中,主要参数包括中心频率f0、频率带宽BW、上限截止频率fh和下限截止频率fl。
其中,通带越窄,其选频特性越好。
1、2设计任务及要求:(1)设计任务:本实验将高通滤波器与低通滤波器串联来实现一个带通滤波器,通过多级反馈,减少干扰信号对滤波器的影响。
为了检测滤波电路的选频特性,设计一个带宽检测电路,通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。
(2)设计要求:性能指标要求1、输入信号:有效值为1V的电压信号。
2、输出信号中心频率f0通过开关切换,分别为500hz、1khz、5khz、10khz,误差为10%。
3、带通滤波器带宽BW<=(fh-fl),在增益符合要求的情况下带宽尽可能窄。
4、用LED发光二极管显示上、下限截止频率。
第二章 总体电路设计方案2、1设计思想:方案一:将一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来,即可组成一个带通滤波器,如上图。
其中低通滤波器的通带截止频率为f2,高通滤波器的通带频率为f1。
当输入信号通过低通滤波器时,f>f2的信号被滤掉;然后,再通过高通滤波器,f<f1的信号又被滤掉。
最后,只有频率在f1和f2之间的信号才能通过电路,从而实现了“带通滤波”的要求。
UiU0方案二:Ui 经过高通滤波器和低通滤波器后便得到带通信号U2,U2再经过一个低通滤波器可得到低通U3。
再对原信号引入两个反馈,带通信号U2正反馈以及输出端U3引入的负反馈。
这样,输出U2即为改良后的带通信号,便到达了设计目标。
对比分析方案一需要注意一个问题,组成带通滤波器时,低通滤波器的通带截止频率f2必须大于高通滤波器的通带截止频率f1。
否则,如果f2<f1,则任何频率的信号都无法通过电路,也就无法组成带通滤波器了。
方案二其内在原理基本相同,一个全通信号先减去高通,然后减去低通,剩下的就是带通。
但方案二中引入了两个反馈,当频率接近通带截频率但小于时,从输出端引回的反馈信号将增强输入信号的作用,因此,幅频特性在接近通带截止频率时将得到补偿而不会很快下降。
总的来说,方案二在通带截止频率的附近得到较好的改善。
而且加入带通信号的正反馈,使其滤波功能更加接近切比雪夫滤波器,其在过渡带衰减快,和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。
总之,方案二比方案一更加完善,误差也更小,同时也考虑到实验器材的选取条件,因此本课题设计采用方案二。
2、2各功能组成主体电路功能:当以U2为输出端时,主体电路相当于一个带通滤波器电路,原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。
原信号引入的两条反馈即可增强输入信号的作用,也可改善截止频率附近的滤波功能。
线性检波滤波电路功能:输入的正弦信号Ui和U2首先经过检波电路转换为全波,再经过滤波转化为直流量比较显示电路功能:原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui’,U2’通过比较器进行比较,集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。
Ui’接比较器正端,U2’接比较器负端,当Ui’>U2’时,二极管发光,二者相等时,灯闪烁,U2’>Ui’时,灯不亮。
2、3总体工作过程及方案框图总体工作过程:当以U2为输出端时,主体电路相当于一个带通滤波器电路,原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。
原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui’,U2’通过比较器进行比较,集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。
Ui’接比较器正端,U2’接比较器负端。
当Ui’>U2’时,二极管发光,二者相等时,灯闪烁,U2’>Ui’时,灯不亮。
方案总体框图:第三章 单元电路设计与分析3、1各单元电路的选择低通滤波器 :积分运算电路具有低通特性,上图是反相输入一阶低通滤波电路。
现在分析其电路特性:因为,通常,在分析运算电路时均设集成运放为理想运放,因而其两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零,即具有“虚短路”和“虚断路”两个特点。
所以,Up=Un=0;经过电阻R 和电容C 的电流相等。
Un Ui i R-= 1U o U n i SC-=得()1()Uo s Ui s sRC =-然后S 用jw 代入,得到:1Uo Ui jwRC =-上限截止频率012f RCπ=高通滤波器:线性检波电路:当输入Ui 为正时,经过反相器反相,Uo ’<0,而Un=0,因此二极管D1导通,D2不导通,Uo ’=-0.7V 。
Uo 被两个10K 的电阻分压,2UiUo =;当输入Ui 为负时,经过反相器反相,Uo ’>0,故D1不导通,D2导通,2010Un Ui Uo Unk --=,由于虚地点,Un=0,所以2UiUo =-。
综上所述,输入信号Ui 经过绝对值电路后,输出Uo 都为正值,且为输入的一半,即2Ui Uo =。
Ui ’Un3、2单元电路软件仿真低通滤波器幅频特性曲线:检波电路波形曲线:检波滤波电路曲线:第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定总体电路工作原理图:上半部分为主体电路,下半部分的左右部分均为线性检波滤波电路,右下角为比较显示电路元件参数的确定:首先对主体电路进行分析按照原理框图的设计思想,具体电路布置如上。
第一个运算放大器是反馈端,后面两个运算放大器电路构成两个低通滤波电路。
输入为Ui ,,y1,y2,y3分别为高通,带通,低通输出。
所以y2是此次课题设计的带通滤波器的输出端。
由于课题设计带通滤波器的输出中心频率可变(用开关切换),即有500HZ ,1KHz ,5KHz ,10KHz 四种,因此反相一阶低通滤波电路的电容,电阻要适当取值。
为保证带通滤波电路的输出中心频率的稳定,两个低通滤波电路的电容,电阻取值相同。
我们研究的是带通滤波电路,因此要得到电压放大倍数,即U2/UI 根据理想运算放大器的虚短,虚断特性可以得到:20331010iy U i -=+2111y y i R sC -=+ 3221y y i R sC-=+1333320102010y y i -=⨯+⨯设pn U U U==联立上式得传递函数:21()1()1i sCRy s U s sCR =-++然后用jw 代替s :2111()i wCR y U j wCR =-+- 中心频率从式①中可以看出,当虚部为0时,即电压放大倍数为1,得到1wCR wCR =又2w fπ=,化简得中心频率012f RCπ=根据中心频率公式012f RCπ=,分别算出500HZ ,1KHz ,5KHz ,10KHzsi四种频率时的电阻值,012R f Cπ=(这里我们电容C 取0.01uf )500HZ 时,R1=31.82K Ω 1KHz 时,R2=15.92K Ω 5KHz 时,R2=3.182K Ω 10KHz 时,R3=1.592K Ω4、2总体电路软件仿真信号频率为中心频率时对U2进行波形仿真:带通滤波器的幅频特性曲线:UI、U2经过检波滤波电路变为直流量UI’,U2’第五章电路的组构与调试5、1使用的主要仪器、仪表5、2测试的数据与波形测量数据:测量波形:以中心频率为500hz为例信号源频率为500hz时信号源频率为仿真下限频率306hz信号频率为仿真上限频率840hz5、3组装与调试确定好各元件参数后,获得自己需要的元器件,开始组装。
调试过程:主体电路组装完成后,用函数信号发生器作为信号源,频率选择中心频率,观察U2波形与原信号波形是否反相,如反相则主体电路正常工作。
线性检波滤波电路组装完成后,用函数信号发生器作为信号源,断开电容,看其输出端是否为全波,接上电解电容观察全波是否被滤成直流量,如果正常,则线性检波滤波电路工作正常比较显示电路,观察比较器两端电压变化时,灯是否能正常亮灭,如正常,则比较显示电路工作正常5、4调试出现的故障及解决方法故障一:U2波形出部分失真解决办法:经过仔细观察,发现一处接触不良,换下原来电阻后重新连接,波形恢复正常。
故障二:信号源频率改变,LED指示灯仍一直长亮不灭解决办法:用示波器两通道分别观察比较器两端电压,发现比较器正端电压Ui’高于负端U2’能获得的最大电压。
察觉到自己没有调节好滑动变阻器,将滑动变阻器转动,使输出电压为最大电压的0.707倍。