课程设计设计题目RC高通有源滤波器学生姓名学号专业班级指导教师设计类型：信号与系统课程设计一.课程设计题目：设计制作一个增益可调，截止频率=3000Hz的RC有源高通滤波器要求如下：1.阅读教材第十章第八节，理解RC有源滤波器；2.查阅有关RC有源滤波器设计的相关资料，确定设计方案和元件数值；3.用Multisim模拟所得滤波器的频响特性（运放选用NE5532）；4.由于实验室只能提供特定的的元件数值，按照能获得的元件数值对电路进行修正和模拟，获得最符合要求的电路元件参数。
5.按获得的电路及元件参数，用面包板焊接好滤波器，连接信号发生器、示波器，测试电路的频响。
6.分析实验结果：测试结果与模拟结果的差异及其原因及可能的改进方法。
7.撰写课程设计报告。
二. 课程设计目的：1.理解RC有源滤波器，学习RC有源滤波器的设计方法，由滤波器设计指标计算电路元件参数。
2.掌握应用Multisim软件；3.掌握常用元器件的识别和测试，测量有源滤波器的幅频特性；4.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；5.体会课程设计的过程，通过理论联系实际，提高和培养创新能力，提高实践能力，为后续课程的学习，毕业设计，毕业后的工作打下基础。
二.课程设计环境：Multisim介绍Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。
该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows 应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。
尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯。
下面主要针对Multisim11.0软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍。
EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。
发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。
一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。
EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。
功能：1.直观的图形界面2.丰富的元器件3.强大的仿真能力4.丰富的测试仪器5.完备的分析手段6.独特的射频(RF)模块7.强大的MCU模块四. 课程设计内容：1.方案比较及工作原理：方案一：压控电压源二阶高通滤波器压控电压源二阶有源高通滤波器电路原理如图1所示，运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，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。
图1.压控电压源二阶高通滤波器其传输函数为：()()()()22u 31s s sRC sRC A sRC A A up up +⎪⎭⎫⎝⎛-+•=•通带放大倍数：1up 1R R A f +=•令R 1=R 2=R ，C 1=C 2=C ，截止频率：RCf p π21=品质因数：•-=up31A Q方案二：无限增益多路负反馈二阶高通滤波器无限增益多路负反馈二阶高通滤波器如图2所示，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。
图2.无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 该电路的传输函数为：()()()3221232132232212u 1s s C C R R s C C C C C Rs C C R R s A A up ++++•=通带放大倍数：31C C upA-=•截止频率：322121C C R R f p π=品质因数：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2321321R C C R C C C Q 方案选择：压控电压源二阶高通滤波器的增益容易调节，而无限增益多路负反馈二阶高通滤波器尽管元件较少，但增益调节不变，根据题目要求，我们选择方案一。
另外，我们在方案一的基础上又实现了三阶、四阶、差分形式的高通有源滤波器，实现性能提高。
2. 设计分析图3.原理图RC 高通有源滤波器的截止频率ΩC =3000Hz ，根据截止频率公式RCf p π21=根据实验室提供的元器件，令C=10nF ，计算得到R=5305.16Ω，根据实验室提供的电阻，令R=5.3k Ω，此时得到的截止频率大约为()z 300310101023.321219-3H RC f p =⨯⨯⨯+⨯==ππ 假定R 1=R f =20k Ω，可以通过调节R 1和R f 的值，来调节增益，此时其通带放大倍数：220k 20k 111up =ΩΩ+=+=•R R A f 品质因数：12-3131up==-=•A Q 传输函数：()()()()248229-9-29-u1089.11055.321010530010105300231101053002s s s s s s s A +⨯⨯+⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯⨯=3. 模拟仿真Multisim 仿真电路图如图4所示。
图4.Multisim 仿真二阶高通有源滤波器波特图示仪XBP1显示波形如图5所示，幅度增益在小于3000Hz 时逐渐减小，在大于3000Hz 时，幅度增益基本保持不变。
图5.二阶RC高通有源滤波器的幅频特性4.实物制作由于在设计时已经考虑到实际电阻电容参数的值，直接制作即可，其中R=2kΩ+3.3kΩ=5.3kΩ，R使用2kΩ电阻和3kΩ电阻串联而成。
焊接实物图如图6所示。
图6.焊接实物图5.元器件清单元件名称规格及用途数量NJM5532DD 双运放、直插DIP-8 1电容10nF 2电阻20kΩ 2电阻2kΩ 2电阻 3.3kΩ 3万用板5*7cm 线路板、洞洞板 16.测试电路焊接好后，需要函数发生器、示波器、万用表各一个，一个能产生+12V，-12V的直流稳压并联接地电源，函数发生器产生0至10KHz，幅值为1V的信号。
直流稳压电源的+5V接5532DD JRC的8引脚，-12V接4引脚。
示波器CH1连接电路的输入端，CH2连接电路的输出端。
调节输入信号的频率从1变化至10KHz，观察输入输出信号波形幅值变化，当输入频率小于3KHz时，输出信号的增益快速衰减，当输入频率大于3KHz时，输出信号的幅度基本保持不变，与仿真相符合。
注意：在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路，且不能带电操作。
图7.测试连接图8.1KHz时的波形图9.1.7 KHz时的波形图10.3KHz时的波形图11 10KHz时的波形7.误差分析(1)电阻的标称值与真实值之间存在误差，(2)在选取电阻时，实际电阻与理论计算电阻不太相符，导致误差(3)测量仪器的误差，主要是示波器的量化误差(4)系统误差，主要是测量仪器内阻的影响，导致仪器的读数值与电路的真实值之间存在误差。
(5)电源电压输出值与真实值之间存在误差(6)示波器及函数信号发生器抗干扰能力差，产生误差8.优化措施(1)我们可以通过采用电阻、电容串并联的方式逼近理想参数，减小误差。
(2)提高滤波器的阶数，使增益在阻带衰减加快(3)采用巴特沃斯特性、切比雪夫特性及贝塞尔特性的滤波器改善性能(4)差分输入输出的滤波器三阶高通有源滤波器的仿真电路图如图12所示，幅频特性如图13所示。
图12.三阶高通有源滤波器仿真电路图图13.三阶RC高通有源滤波器的幅频特性图14.四阶高通有源滤波器仿真电路图图15.四阶RC高通有源滤波器的幅频特性通过对二阶、三阶及四阶滤波器的频率响应分析，阶数越高，增益在阻带衰减的越快，滤波器的性能越好，但是滤波器的阶数越高，所用的元器件越多，成本越高，在性能要求不高时，尽量选择适合的滤波器图16.巴特沃斯高通滤波器仿真电路图图17.巴特沃斯高通滤波器的幅频特性差分高通有源滤波器仿真电路图如图18所示，幅频特性如图19所示图18.差分高通有源滤波器仿真电路图图19.差分高通有源滤波器的幅频特性五. 心得体会：通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在设计过程中遇到一些模糊的公式和专业用语，比如说经济刮板运输机及皮带运输的选择，在选择选择刮板皮带运输选型时,在使用手册时，有的数据很难查出，但是这些问题经过这次设计，都一一得以解决，我相信这本书中还有很多我为搞清楚的问题，但是这次的课程设计给我相当的基础知识，为我以后工作打下了严实的基础。
虽然这次课程是那么短暂的2周时间，我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和对基本公式的熟悉和应用，计算力学和运动学及预选电动机过程中的那些繁琐的数据，使我做事的耐心和仔细程度得以提高。
课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对三年所学知识的复习和巩固。
同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。
因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。
如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。
此次设计让我明白了一个很深刻的道理：团队精神固然很重要，担人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。
六. 参考文献：[1].（日）马场清太郎著；何希才译．运算放大器应用电路设计[M]．北京：科学出版社，2007.[2].卿太全．集成运算放大器应用电路集萃[M]．北京：中国电力出版社，2010.10.[3].童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础（第四版）[M]．北京：高等教育出版社，2006.5.[4].郑君里，应启珩，杨为理．信号与系统（第三版）[M]．北京：高等教育出版社，2011.3.。