电子技术课程设计-基于EDA软件的带通滤波器设计与仿真-精品.doc
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电子技术课程设计-基于EDA软件的带通滤波器设计与仿真-精品.doc
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西华大学课程设计说明书
说明书
成绩
课程设计说明书
课程设计名称:
电子技术课程设计
题目:
基于EDA软件的带通滤波器
设计与仿真
学生姓名:
专业:
学号:
指导教师:
日期:
2010年7月18日
1前言
1.1mutisim
Multisim是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于电路仿真与设计的EDA软件,又称“虚拟电子工作台”。
Multisim是在EBA{(ElectronicsWorkbench)的基础上发展起来的,很大程度地增强了软件的仿真测试和分析功能,大大地扩充了元件库中的仿真元件数量,是仿真设计更精确、可靠
在电子设计领域,EDA设计和仿真是一个十分重要的设计环节。
众多的EDA设计和仿真软件中,Multisim以其强大的仿真设计应用功能,在各高校电信类专业电子电路的仿真设计中得到了较广泛的应用。
Multisim及其相关库的应用对提高科研人员和学生的仿真设计能力,更新设计理念有较大的帮助。
Multisim软件最突出的特点是用户界面友好,各类器件和集成芯片丰富,尤其是其直观的虚拟仪表是Multisim的一大特色。
Multisim所包含的虚拟仪表有:
示波器、万用表、函数发生器、波特图图示仪、失真度分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪、网络分析仪等。
而通常一个普通和实验室是无法提供这些设备的。
这些以其的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。
本文以Multisim为仿真设计平台,利用界面直观的原理图设计工具完成电路设计,赢使用提供的各种仿真一起深入分析带通滤波器电路。
1.2滤波器的基本概念
滤波器(filter),是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
主要作用是:
让有用信号尽可能无衰减的通过,对无用信号尽可能大的衰减。
滤波器一般有两个端口,一个输入信号、一个输出信号。
滤波器的分类:
按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种,按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种,按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种,按滤波器的安放位置不同,一般分为板上滤波器和面板滤波器。
滤波器的设计:
滤波器特性可以用其频率响应来描述,按其特性的不同,可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
用来说明滤波器性能的技术指标主要有:
1.中心频率f0,即工作频带的中心
2.带宽BW
3.通带衰减,即通带内的最大衰减
4.阻带衰减
对于实际滤波器而言,考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值(因为受限于材料与工艺的水平),所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器,因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。
现代滤波器设计,多是采用滤波器变换的方法加以实现。
主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换,来得到新的目标滤波器。
1.3带通滤波器的基本原理
带通滤波器(band-passfilter)是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。
比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。
一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带(bandpass,允许通过的频带),同时限制所有通带外频率的波通过。
但是实际上,没有真正意义的理想带通滤波器。
真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率的波。
事实上,在理想通带边界有一部分频率衰减的区域,不能完全过滤,这一曲线被称做滚降斜率(roll-off)。
滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。
一般情况下,滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄,以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。
1.4滤波器的设计方法
滤波电路是频率选择电路,只允许频带内频率的信号通过,则按通带区分,滤波器又可分为低通、高通、带通、带阻和全通五种。
由于高通、带通和带阻滤波器的传递函数都能经过频率变换从低通滤波器转移函数求得,所以我们把低通滤波器称为原型低通滤波器。
不论涉及任何滤波器,我们都是先把该种滤波器的技术要求转变到相应的低通滤波器的技术要求,然后设计低通滤波器得到转移函数,最后再经过频率变化把低通滤波器转移函数转换到所求的滤波器的转移函数。
涉及滤波器的任务是力求向理想特性逼近。
2总体方案设计
2.1方案比较
方案1:
无源带通滤波器
图
(1)无源带通滤波器电路
电路构成:
主要由电阻电容构成。
方案2:
有源带通滤波器
有源滤波器可以根据阶数不同分,但是总体框图如下所示:
非线性负载
电源
接口电感
或变压器
开关模式功率输出系统参量
接口检测单元
选通信号
发生器补偿
变量
控制信号中央控制参考量参考量
单元估算单元
图
(2)有源滤波器的基本框图
电路构成:
主要由电源、电阻电容以及运算放大器这三个部分构成。
(图3)二阶有源带通滤波器电路
高通
低通
串联
(图4)带通滤波器框图
图3所示为二阶有源带通滤波器,而图4所示为有源低通和高通直接串联所得。
虽然都是带通滤波器,但是他们的影响因数却大有不同。
2.2方案论证
无源滤波器:
仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。
这类滤波器的优点是:
电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:
通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。
有源滤波器:
由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。
这类滤波器的优点是:
通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件);缺点是:
通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。
而在有源滤波器的图三—二阶带通和图四的由低通和高通直接串联进行比较,对于参数的影响图四的更有利。
但是,无源滤波电路只是由电阻、电感、电容组成,无源滤波电路的应用受到许多限制;有源滤波电路是使用了理想运算放大器的滤波电路,相比无源滤波器有很多优点,例如有源滤波器不用电感就能形成带通和带阻滤波器,因电感通常较为笨重,且磁场会影响期望的频率响应特性;再者无源滤波器没有放大的能力,而有源滤波器能对幅值进行控制放大;最后,无源滤波器的截止频率和通带幅值有负载效应,但有源滤波器克服了这个缺陷。
而且,无源滤波器的缺点也是非常明显的:
1)因为一般都是滤除次数较低的谐波,要求元件的参数较大,较笨重;2)电源的阻抗特性会直接影响到滤波器的补偿特性,为了达到较好的补偿效果,通常需要对所补偿的系统进行分析计算并实际测量,专门进行设计才能达到;3)系统频率偏移会严重影响滤波特性,若想在较宽的系统频率范围内都能达到满意的效果,则要用较复杂的设计,系统将会异常复杂和庞大;4)在系统设计中要充分考虑谐振问题,避免造成系统损坏。
当无源滤波器的使用受到上述问题制约时,有源滤波器便显示出了它的优势。
2.3方案选择
基于以上的方案比较以及方案论证和我们组的具体情况,我们决定采取更具有优势的第二种方案,即设计一个有源带通滤波器电路。
具体的有源带通滤波电路的参数如下。
要求:
1)信号通过频率范围f在100Hz至10kHz;2)滤波电路在1kHz的幅频响应必须在±1dB范围内,而在100Hz至10kHz滤波电路的幅频衰减应当在1kHz时值的±3dB范围内;3)在10Hz时幅频衰减应为26dB,而在100kHz时幅频衰减应至少为16dB。
分析:
这是一个通带频率范围约为100Hz—10kHz的带通滤波电路,在通带内我们设计为单位增益。
根据所设计的电路要求,在频率低端f=10Hz时,幅频响应至少衰减26dB,在频率高端f=100kHz时,幅频响应要求衰减不少于16dB。
因此可以选择一个二阶低通滤波电路的截止频率fH=10kHz,一个二阶高通滤波电路的截止频率fL=100Hz,有源器件采用运放CF4129(LF412),将这两个滤波电路串联起来就构成了所要求的带通滤波电路。
3.单元模块电路设计
3.1低通模块
图(3)二阶有源低通滤波电路
图中,R1=R2=R,C1=C2=C,Rf=R4=(Avf-1)R3,此电路是有两节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。
而同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益,即A0=Avf=1+(Avf-1)R1/R1。
对于低通滤波电路,其理想的幅频响应如下图所示,图中A0表示低频增益,|A|为增益的幅值。
由图可知,它的功能是通过从零到某一截止角频率ωH的低频信号,对大于ωH的所有频率则给予衰减,因此其带宽BW=ωH/2。
|A|
A0
通带阻带
0ωLω
图(4)低通滤波电路理想的幅频响应
3.2高通模块
图(5)二阶有源高通滤波电路
图中,R1=R2=R,C1=C2=C,Rf=R4=(Avf-1)R3。
将二阶有源低通滤波电路中的R和C位置互换,则得到此有源高通滤波电路。
对于高通滤波器,其理想的幅频响应如下图所示。
由图可以看到,在0<ω<ωL范围内的频率为阻带,高于ωL的频率为通带。
从理论上来说,它的宽带,但实际上,由于受有源器件和外接元件以及杂散参数的影响,宽带受到限制,高通滤波的宽带也是有限的。
|A|
A0………………….
阻带
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- 电子技术 课程设计 基于 EDA 软件 带通滤波器 设计 仿真 精品