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模电课程设计报告
模拟电子技术课程设计
多功能有源滤波器
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多功能有源滤波器
1引言
滤波电路在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用非常广泛。
采用集成运放构成的RC有源滤波器,输入阻抗高,输出阻抗低,可提供一定增益,截止频率可调。
本文通过对一种多功能滤波器电路的理论分析,得出该滤波器的低通、带通和高通频率特性;通过参数调节设计,可方便应用于无线通信、频分多址通信系统中;采用EDA仿真软件Multisim对电路进行仿真分析、调试,从而实现电路的优化设计。
1.1滤波器的发展历程
在电子电路中,输入信号的频率有很多,其中有些频率是需要的工作信号,有些频率是不需要的干扰信号。
如果这两个信号在频率上有较大的差别,就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。
滤波电路的作用是允许模拟输入信号中某一部分频率的信号通过,而阻断另一部分频率的信号通过。
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
在近代电信设备和各类控制系统中,滤波器应用极为广泛;在所有的电子部件中,使用最多,技术最为复杂的要算滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣,所以,对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。
20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。
自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展,滤波器发展上了一个新台阶,并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力,其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向,导致了RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展,到70年代后期,上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。
80年代,致力于各类新型滤波器的研究,努力提高性能并逐渐扩大应用范围。
90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然,对滤波器本身的研究仍在不断进行。
我国广泛使用滤波器是50年代后期的事,当时主要用于话路滤波和报路滤波。
经过半个世纪的发展,我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐,但由于缺少专门研制机构,集成工艺和材料工业跟不上来,使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离[1]。
1.2滤波器的分类
实际上有些滤波器很难归于哪一类,例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器,又可属于混合滤波器,还可属于有源滤波器。
因此,我们不必苛求这种“精确”分类,只是让大家了解滤波器的大体类型,有个总体概念就行了。
滤波器有各种不同的分类,一般有如下几种。
(1)按处理信号类型分类可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。
其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类;离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。
当然,每个分类又可继续分下去,总之,它们的分类可以形成一个树形结构。
(2)按选择物理量分类滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如PCM制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等四类滤波器。
(3)按频率通带范围滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别。
1.3有源滤波器的介绍
有源滤波器由下列一些有源元件组成:
运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器(FDNR)、广义阻抗变换器(GIC)、负阻抗变换器(NIC)、正阻抗变换器(PIC)、负阻抗倒置器(NII)、正阻抗倒置器(PII)、四种受控源,另外,还有病态元件极子和零子。
1965年单片集成运算放大器问世后,为有源滤波器开辟了广阔的前景。
70年代初期,有源滤波器发展引人注目,1978年单片RC有源滤波器问世,为滤波器集成迈进了可喜的一步。
由于运放的增益和相移均为频率的函数,这就限制了RC有源滤波器的频率范围,一般工作频率为20kHz左右,经过补偿后,工作频率也限制在100kHz以内。
1974年产生了更高频的RC有源滤波器,使工作频率可达GB/4(GB为运放增益与带宽之积)。
由于R的存在,给集成工艺造成困难,于是又出现了有源C滤波器:
就是滤波器由C和运放组成。
这样容易集成,更重要的是提高了滤波器的精度,因为有源C滤波器的性能只取决于电容之比,与电容绝对值无关。
但它有一个主要问题:
由于各支路元件均为电容,所以运放没有直流反馈通道,使稳定性成为难题。
1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用连续的开关电阻(SR)去替代有源RC滤波器中的电阻R,就构成了SRC滤波器,它仍属于模拟滤波器。
但由于采用预置电路和复杂的相位时钟,使这种滤波器发展前途不大[2]。
总之,由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器,体积小,Q值可达1000,克服了RLC无源滤波器体积大,Q值小的缺点。
但它仍有许多课题有待进一步研究:
理想运放与实际特性的偏差的研究;由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进,单片集成有待进一步研究;应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索;元件的绝对值容差的存在,影响滤波器精度和性能等问题仍未解决;由于R存在,集成占芯片面积大,电阻误差大(20%~30%),线性度差等缺点,使大规模集成仍然有困难。
尽管有这么多问题,RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。
2设计方案简述
根据设计任务要求设计一个可以同时获得高通、低通和带通三种滤波特性的滤波器
2.1方案设计与论证
方案一:
用一个求和电路输出三个信号,再用三个UA741分别实现高通、带通、低通功能电路,其方框图如图1所示。
图2.1方案一原理方框图
方案二:
对于同一电路,一定的输入电压,可以同时实现两种不同的滤波器[3]。
通过比例、求和、积分等若干基本运算电路组合,外接几个电阻,就可实现多功能有源滤波功能,用3个UA741,电容,电阻调节适当参数可实现,如图2所示。
电路结构对称,性能往往仅与电阻比值有关,从而大大降低了对集成精度的苛求,且电路性能稳定[4]。
图2.2多功能有源滤波器原理图
由于要同时实现高通、带通、低通功能,方案一计算不方便,电路复杂,接线不方便,易接触电阻,增大误差,制作难度大。
两种电路比较起来,方案二更好,所以我选择方案二。
2.2基本电路分析
滤波电路由集成运放和RC网络组成,见图3。
由图3可知:
(式2.1)
图2.3 多功能滤波器原理图
(式2.2)
令
则
(式2.3)
令
(式2.4)
则滤波电路的高通频响特性方程为
(式2.5)
同理,得出滤波电路的带通和低通频响特性方程分别为:
(式2.6)
(式2.7)
综上分析可知,多功能滤波电路可以同时实现高通、低通和带通三种滤波特性。
当R1=R2=R4=R7=R,R3=R5=R,C1=C2=C,品质因数
时,高通与低通具有理想的输出特性,滤波器的截止频率为
且通带宽度BW及其中心频率,都取决于电路的截止频率
。
以上式(8)~式(11)构成了确定多功能有源滤波器电阻、电容值的原则。
首先确定截止频率
选择合适电容C(C1,C2),并估算出电阻R值(R3,R5);再根据输出频率特性曲线理想原则,根据Q值选择电阻R1、R6[5]。
3Multisim电路仿真验证
Multisim是由IIT公司推出的专门用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件,其界面形象、直观,结合了电路设计、仿真,VHDL/Verilog的设计。
3.1Multisim仿真模型设计
有源滤波器的Multisim仿真模型如图4所示。
根据电阻、电容值确定原则,有关元器件参数赋值如下:
电阻R1~R5=R7=10kΨ,R6=8.9kΨ;电容C1=C2=0.01μF;N1~N3为通用型集成运放741;电压源V1、V2、幅值为5V,频率分别为0.4kHz和12kHz,两路正弦波信号经电压加法器A1混叠后作为滤波器的输入信号
示波器XSC1的A、B通道分别为高通输出
和低通输出
。
图3.1滤波器仿真模型
3.2仿真结果分析
图3.2仿真波形
由图可知,电路对高频成分和低频成分的分离较好,波形只有很少的混叠状况。
当R6=8.9k
Q=0.707时,高、低通及带通幅频特性曲线波形最为理想。
4硬件焊接、安装与调试
4.1器件清单
表4.1多功能有源滤波元器件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
uA741
3
中号焊接电路板
1
电阻
10k
8
电阻
8.9k
1
电容
瓷片电容
0.01μf
2
4.2硬件焊接
由于芯片管脚问题,且使用万用板,导致不可避免的飞线。
图4.1焊接电路正面
背面按照设计电路铺设了锡电路
图4.2焊接电路反面
4.3安装与调试
1、安装:
按电路图布局好电路,之后焊接好电路板。
2、调试
(1)静态调试
用万用表对电路板进行静态测试,目的主要是为了防止虚焊或者漏焊。
(2)动态调试
接好电路,利用函数信号发生器、数字毫伏表以及示波器来验证多功滤波器的功能。
1)高通的调试
输入信号为5V,改变其频率,使得输出电压也为5v,则此放大倍数为1,减小频率使得输出的电压为输入的0.707,则此时的频率为截止频率
2)带通的调试
同样输入电压为5v,改变其频率,使得输出与输入相等为5v,则此时的频率为中心频率,减小频率使得输出的电压为输入的0.707,则此时的频率为截止频率
,增大其频率,使得输出的电压为输入的0.707倍时,则此时的频率为上限截止频率
,改变频率,从小到大,记录毫伏表的输出电压与信号发生器的频率。
3)低通的调试
输入信号为5v,改变其频率,使得输出等于输入为5v,则此时的放大倍数也为1,增大其频率,使得输出的电压为输入的0.707倍时,则此时的频率为上限截止频率
。
5结论与心得
通过整流、滤波、稳压电路可把交流电变为稳定的直流电源。
通过比例、求和、积分等若干基本运算电路组合,外接几个电阻,就可得到低通、高通、带通滤波电路。
通过这次课程设计,学习multisium软件的使用,加深对滤波电路原理的理解,也通过这次的课程设计多了和同学之间的沟通和交流。
总之,这次很高兴,虽然花了很多时间、精力,但是完成了这次的课程设计,做出了实现功能的作品,算是一次真正的动手能力的测试,真正的把知识运用于实践。
参考文献
[1]刘燕鹏.基于CCCⅡ的有源滤波器与振荡器电路的设计[D].湖南师范大学,2012.
[2]董招辉.基于CCCII的电流模式滤波器和振荡器的研究[D].湖南师范大学,2008.
[3]王春华,施颂生.基于OTA的多功能有源滤波器[J].郑州大学学报(自然科学版),1997,01:
67-69.
[4]王应生.多功能R有源滤波器电路[J].电讯技术,1997,05:
68-72+67.
[5]朱小龙,周刚.一种多功能有源滤波器电路仿真设计与分析[J].安徽理工大学学报(自然科学版),2004,02:
42-45.
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