二阶带通滤波电路

2014-2015

电子电路设计课程说明书

学院 实验学院 专业 电子信息工程 题目

二阶带通滤波器

姓名 黄玉欢

学号 13521230

日期 2015年 7 月 21日 指导教师

北京工业大学课程设计报告

摘要

此次电子技术课程设计包括数电课设和模电课设两部分，需要自己地完成设计、Multisim仿真和硬件连接三个环节。

模拟电路设计：二阶有源带通滤波器，二阶有源带通滤波器采用经典的RC有源滤波器设计，该设计又称为巴特沃斯滤波器。电路为双电源供电，可完成对于规定中心频率的选择，并保证信号在3db带宽内平稳不失真，且有良好的矩形系数。两个实验均通过了仿真测试和硬件连接测试，基本符合课设的要求。以下是我对两个实验的基本方案、设计原理、元器件的选择、优缺点的比较和仿真结果的介绍。

关键词

带通滤波器、Multisim仿真

I

北京工业大学课程设计报告

Abstract

The course design by the digital circuit design and analog circuit design composed of，Complete independence to complete the design， Multisim simulation and the experiment three links。

Analog circuit design part， second-order active bandpass filter， and through Multisim software and oscilloscope simulation and performance testing，The output resistor， the center frequency coefficient matrix circuit conditions and performance up to requirements. Two experiments were tested by simulation and laboratory simulation tests， the basic compliance testing requirements. This article describes the Responder and the second-order active band-pass filter and the basic program design principles， component selection， compare the advantages and disadvantages and simulation test results， more comprehensive about the design of this course the content of electronic technology.

Keywords

Bandpass filter、Multisim Simulation

II

北京工业大学课程设计报告

目录

1．概述 ............................................................................................................................................. 1 2．二阶有源带通滤波器的设计、仿真与性能实测 ......................................................................... 2 1 设计内容与要求 .............................................................................................................................. 2 2 方案比较 .......................................................................................................................................... 3 3总体方案 ........................................................................................................................................ 4

3.1 总体方案介绍 .......................................................................................................................... 4 3.2 电路设计原理 .......................................................................................................................... 5 3.3 软件仿真与测试分析 .............................................................................................................. 8 3.4 硬件仿真与测试分析 ............................................................................................................ 11 3.5问题解决与讨论 ..................................................................................................................... 13

4．结论 ........................................................................................................................................... 13 5．参考文献 .................................................................................................................................... 13 6.附录 ............................................................................................................................................. 14

6.1 元器件明细表 ......................................................................................................................... 14

III

北京工业大学课程设计报告

6.2设计环境与设备清单 .............................................................................................................. 14 6.3附表 .......................................................................................................................................... 14

IV

北京工业大学课程设计报告

1．概述

本次电子课程设计分为数字电路和模拟电路两部分。

模拟电子技术课程设计是在完成模拟电子技术基础理论知识和基本设计性实验的基础上，综合运用有关知识，设计安装和调试自成系统的设计。和数字电子技术课程设计有相同之处，可以共同提高动手能力，加强对知识的理解，并能提高自己在困难面前的解决能力，在参考资料的同时，也为自己以后从事有关工作打下了基础。

课程设计是针对某一理论课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，可以培养我们运用课程中所学的理论知识与实际紧密结合，地解决实际问题的能力。

本课程设计介绍的是二阶有源滤波器的设计方法与测试技术，以电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计，装调及性能参数的调试方法。

1

北京工业大学课程设计报告

2．二阶有源带通滤波器的设计、仿真与性能实测

1 设计内容与要求 课程设计内容

（一）模拟仿真的主要内容交流分析：分析电路的频率特性。 交流分析：可以进行幅频特性、相频特性分析

直流分析：计算电路的直流工作点，采用直流扫描和参数扫描。非线性电路需要进行多次迭代逼近。

暂态分析：在给定的初始状态和输入激励下计算出电路的输出响应。 零点极点分析：计算电路中复频域的特征点。实质上是电抗网络中的谐振点分布。还有正弦稳态分析、噪声分析、容差分析、失真分析、温度特性分析等。 硬件设计：方案确定后要搭建实际电路，调出要求的功能，并且测出其性能指标进行比对。通过实测结果确认技术性能指标。

课程设计要求

（二）具体任务以下设计内容及要求中未标注为基本要求的要积极动脑进行扩

展。

二阶有源带通滤波器的设计、仿真与性能实测。测试参考表格见附录。 （1） 基本内容根据基本要求完成设计。包括电路形式、元器件参数。进行上机仿真得出幅频特性、相频特性。给出曲线和表格的数据表达方式。写出设计说明书。

（2） 提高内容前面提到的其他特性仿真。在实验箱或实验板上，用指定型号的运放器(LM358/TLC2262CP/LM741)，按指定的外部引线方式搭接电路供自己调试和实际测评。电路形式，元件参数和内部接线方式不限（3）题测试评价内容中心频率fo=10KHz 。3db 带宽不小于400Hz ，以最接近1Khz 为最佳。 带内平整度小于1db 矩形系数K=幅度降至0.707 的带宽与0.1 处带宽之比。 （注：矩形系数K一般是3dB带宽和40dB带宽的比值，一般取信道滤波器6dB带宽和60dB带宽之比数值越接近1，滤波器的特性越陡峭，选择性越理想；但是过于陡峭边缘的响应会使邻道干扰产生一种噪声，一般单边带通信所要求的实际指标大约为1：2。）

2

北京工业大学课程设计报告

(4) 测试条件通带内电路不失真。外加测试信号源内阻50 欧姆。电路输出负载10K 欧姆。单电源供电12 伏。对12V 单电源供电和正负6V 双电源供电的设计参数进行比较。滤波器通常要求做到下降40db/10倍频程。

2 方案比较

1．方案一：单电源帯通滤波器如图2.2.1

输入信号 带宽调节 放大增益

图3.2.1 单电源帯通滤波器 图2.2.1单电源带通滤波器

输出 Ac分析 正电源 接地 反馈回路 双电源带通滤波器如图2.2.2

输入信号 带宽调节 放大增益 正电源 输出 Ac分析

3

北京工业大学课程设计报告

负电源 反馈回路

图2.2.2 双电源带通滤波器

2．元器件方案：741，LM358J

3. 仿真工具方案:Multisim12.0

3总体方案

3.1 总体方案介绍

带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制，注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图3.1所示。

(a) 带通滤波器原理框图

4

北京工业大学课程设计报告

（b）电路图 (c)幅频特性

图3.1 二阶带通滤波器

3.2 电路设计原理

工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图1（a）所示。 电路性能参数

通带增益

中心频率

通带宽度

选择性

此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。 例．要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率 f010kHz 通带中心频率处的电压放大倍数：

5

北京工业大学课程设计报告

带宽：

设计步骤：

1）选用图3.1图（b）电路。

2）该电路的传输函数：

品质因数：

通带的中心角频率： 通带中心角频率

处的电压放大倍数：

取，则：

因为实验室器材有限，R1用10kΩ电阻，R2用2kΩ电阻。C1,C2采用0.01μF

1.LM358单电源供电如图3.2.1

6

北京工业大学课程设计报告

图3.2.1.1 LM324单电源供电

LM324J双电源供电如图3.2.2

图3.2.1.2 LM324双电源供电

2．741单电源供电如图3.2.2.1

7

北京工业大学课程设计报告

图3.2.2.1

741双电源供电如图3.2.2.2

图3.2.2.2

3.3 软件仿真与测试分析

经过Multisim软件仿真，双电源仿真结果如图3.3.1：

频率为1kHz如图3.3.1 频率为10kHz中心频率时如图3.3.2

图3.3.1 图3.3.2

频率为100kHz如图3.3.3

8

北京工业大学课程设计报告

图3.3.3

波特图如图3.3.4 交流分析如图3.3.5

图3.3.4 图3.3.5

经过Multisim软件仿真，单电源仿真结果如图

频率为1kHz图3.3.6 频率为10kHz为中心频率时如图3.3.7

9

北京工业大学课程设计报告

图3.3.6 图3.3.7

频率为100kHz如图3.3.8 波特图图3.3.9

图

3.3.8 图3.3.9

交流分析图3.3.10

10

北京工业大学课程设计报告

图3.3.10

3.4 硬件仿真与测试分析

经过实验室仿真，结果如下：

1．双电源供电图3.4.1 频率为10kHz图3.4.2

3.4.1

频率为31.31kHz图3.4.3 11

图

图3.4.2

频率为1.178kHz图3.4.4

北京工业大学课程设计报告

图3.4.1 图3.4.4

2.单电源供电图3.4.5 频率为10kHz图3.4.6

图3.4.5 图3.4.6

频率为119hz图3.4.7 频率为317.4kHz图3.4.8

图3.4.7 图3.4.8

12

北京工业大学课程设计报告

3.5问题解决与讨论

低通部分的改进 由于在仿真阶段的疏忽和调节的盲目，使得地同参数出

了很大问题，一直到实际电路搭接出来后还在为低通电路部分发愁。后来通过对仿真图的调节、实际电路的分块测试，低通滤波电路的不可行之处实实在在的摆在我们眼前，因此重新开始从计算开始，确立参数，在上面已经予以说明，但新的问题又出现了，高频部分波特图出现转折，且转折前后斜率不尽相同，在之前给出的方针和实测图中都有出来，其原因初步被判定为是两个二阶滤波电路频率不匹配，致使滤波通带没有能完全重合。

4．结论

模电部分我做的二阶有源带通滤波器。从仿真开始就一路出错，无法满足足

够的衰减的系数。最终，在参考了别人的参数之后我们的仿真勉强过关了，而连电路方面又遇到了问题。最开始连得电路，其实已经实现了功能了，但是因为对其波形不熟悉，所以自以为是的拆掉了重新连了一遍，换了个 方式之后，在之后的7,8次重新连的电路里，都没有成功，而且还烧了个芯片。在一遍遍的尝试之后，我们对我的电路图提出了质疑，在仔细的检查之后发现示波器连接位置出错导致结果一直没有出现，在解决问题之后我们的结果就正确的出现了。

5．参考文献

［1］罗杰，谢自美.《电子线路设计实验测试》.第四版.电子工业出版社，2008

［2］阎石，数字电子技术基础，第五版，高等教育出版社，2006

［3］康华光，电子技术基础（模拟部分），第五版，高等教育出版社，2006 ［4］ 郑步生 吴渭，Multisim 2001电路设计及仿真入门与应用，电子工业出版社，2002

13

北京工业大学课程设计报告

6.附录

6.1 元器件明细表

运算放大器 1个 0.01μF电容 2个 10K电阻 1个 2K电阻 1个 5.1K电阻 2个

6.2设计环境与设备清单 实验箱 6.3附表

表1 带通滤波器仿真/测试表

理论计算 测试项目 (单电源、双电源) (单电源、双电源) (单电源、双电源) 仿真结果 测试结果 中心频率fo=10kHz 10kHz 10kHz 10kHz 10.16kHz 2.56kHz 10.6kHz 3db 带宽不小于1kHz 带内平整度小于1db 矩形系数K=幅度降至0.707 的带宽与0.1 处带宽之比。

2.01kHz 2.05kHz 2.14kHz 2.34kHz 3.05 3.15 3.42 3.28 3.34 0.457 0.462 0.451 0.461 0.468 14

北京工业大学课程设计报告

扩展部分

15