有源模拟带通滤波器课程设计.docx

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有源模拟带通滤波器课程设计

一项目目的

电子电路仿真项目是通信工程专业教学体系中一个实践性很强的环节。

它将模拟电子线路（低频部分和高频部分）、数字逻辑电路等课程的理论与实践有机结合起来，加强学生实验基本技能的训练，培养学生实际动手能力、理论联系实践的能力。

通过本课程设计让学生掌握电子电路系统的设计、制作、调试、仿真的方法。

二主要器件介绍

1滤波器

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。

其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，利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。

滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。

滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

2.滤波器的分类

2.1按所处理的信号

按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

2.2按所通过信号的频段

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。

低通滤波器：

它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

高通滤波器：

它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。

　　　　、

带通滤波器：

它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

　　、

带阻滤波器：

它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

2.3按所采用的元器件

按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

2.3.1、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。

2.3.2、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。

1）基本原理：

有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。

它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。

指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

2）应用　

通信行业为了满足大规模数据中心机房的运行需要，通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。

据调查，通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。

其产生的谐波含量都较高，且这些谐波源设备的位移功率因数极高。

通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性，延长通信设备及电力设备的使用寿命，并且使配电系统更符合谐波环境的设计规范。

2.4无源滤波器和有源滤波器，存在以下的区别：

2.4.1工作原理

　　无源滤波器由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道；而有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出。

2.4.2谐波处理能力

　　无源滤波器只能滤除固定次数的谐波；但完全可以解决系统中的谐波问题，解决企

业用电过程中的实际问题，且可以达到国家电力部门的标准；有源滤波器可动态滤除各次谐波。

2.4.3系统阻抗变化的影响

　　无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险；而有源滤波不受影响。

2.4.4频率变化的影响

　　无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响。

2.4.5负载增加的影响

　　无源滤波器可能因为超载而损坏；有源滤波器无损坏之危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。

2.4.6负载变化对谐波补偿效果的影响

　　无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化；有源滤波器不受负载变化影响。

2.4.7设备造价

　　无源滤波器较低；有源滤波器太高。

2.4.8应用场合对比分析

1.有源滤波容量单套不超过100KVA，无源滤波则无此限制；　　

2.有源滤波在提供滤波时，不能或很少提供无功功率补偿，因为要占容量；而无源滤波则同时提供无功功率补偿。

3.有源滤波目前最高适用电网电压不超过450V，而低压无源滤波最高适用电网电压可达3000V。

4.无源滤波由于其价格优势、且不受硬件限制，广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、电铁、新能源等行业；有源滤波器因无法解决的硬件问题，在大容量场合无法使用，适用于电信、医院等用电功率较小且谐波频率较高的单位，优于无源滤波。

3运放741

uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。

这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：

1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源8空脚

基本电压正负5V正负12V正负15V。

此次电路还需要示波器等元件。

三带通滤波器

1.1简介

带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。

一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路。

这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。

1.2带通滤波器的工作原理：

[1]

一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。

滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。

这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。

通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。

然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。

这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。

除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。

在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。

许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。

这种有源带通滤波器的中心频率，在中心频率

处的电压增益

，品质因数，3dB带宽

也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。

，

，

。

上式中，当

时，C取0.02

。

此电路亦可用于一般的选频放大。

有源带通滤波器电路，此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。

2二阶有源模拟带通滤波器的设计

2.1基本参数的设定

二阶有源模拟带通滤波器电路，如图1所示。

图中R1、C2组成低通网络，R3、C1组成高通网络，A、Ra、Rb组成了同相比例放大电路，三者共同组成了具有放大作用的二阶有源模拟带通滤波器，以下均简称为二阶带通滤波器。

根据图l可导出带通滤波器的传递函数为

 式（5）为二阶带通滤波器传递函数典型表达式，其中ω0称为中心角频率。

令s=jω，代入式（4），可得带通滤波器的频率响应特性为

可画出其幅频响应曲线，如图2所示。

图中，当ω=ω0时，电压放大倍数最大。

带通滤波器的通频带宽度为BW0.7=ω0／（2πQ）=f0／Q，显然Q值越高，则通频带越窄。

通频带越窄，说明其对频率的选择性就越好，抑制能力也就越强。

理想的幅频特性应该是宽度为BW0.7的矩形曲线，如图3（a）所示。

在通频带内A（f）是平坦的，而通带外的各种干扰信号却具有无限抑制能力。

各种带通滤波器总是力求趋近理想矩形特性。

然而实际设计出来的带通滤波器的幅频特性曲线，如图3（b）所示。

在工程上，定义增益自A（f0）下降3dB（即0．707倍）时的上、下限频率之差值为通频带，用BW0.7表示。

要求其值大于有用信号的频谱宽度，保证信号的不失真传输。

综上分析可知：

当有源带通滤波器的同相放大倍数

变化时，既影响通带增益A0，又影响Q值（进而影响通频带BW0.7），而中心角频率ω0与通带增益A0无关。

3.1.2课题要求

带通滤波的设计

设计要求：

要求设计一个有源二阶带通滤波器，通带中心频率为500Hz，通带中心频率处的电压放大倍数为10；带宽为50Hz。

根据要求，选用相应的元件实现带通滤波器电路，并对进行仿真和制作，并能利用相关仪器测量其技术指标，通过示波器观察结果。

 通带中心频率 

通带中心频率处的电压放大倍数：

  带宽：

设计方案

为了能了解二阶带通滤波器在实际电路中应用的效果，设计了如图1的电路进行实验验证。

图中U1A部分为放大电路，UlB部分为二阶带通滤波器电路。

根据式

（2）~式（4），设计出了中心频率在500Hz附近，品质因素Q为10，频带宽度约为50Hz的二阶带通滤波器。

有题可知Q=10;f=500HZ;BW=50HZ;Au=10

经查表的到所要的数据

由Q=10，K=10，可查表得各电阻阻值.

因为k=100/（f。

*c）=10

得

元件

K

Q

R1

1

3.183

6.366

9.549

12.732

15.915

19.099

25.465

31.831

2

1.592

3.183

4.755

6.366

7.958

9.549

12.732

15.915

4

0.796

1.592

2.387

3.183

3.979

4.755

6.366

7.958

6

0.531

1.061

1.592

2.122

2.653

3.183

4.244

5.305

8

0.398

0.796

1.194

1.592

1.989

2.387

3.183

3.979

10

0.318

0.637

0.955

1.273

1.592

1.910

2.546

3.183

R2

1

2.251

2.251

2.251

2.251

2.251

2.251

2.251

2.251

2

3.183

2.864

2.532

2.459

2.416

2.387

2.352

2.322

4

5.668

3.741

3.183

2.925

2.788

2.684

2.589

2.502

6

8.550

4.933

3.939

3.456

3.183

3.010

2.802

2.684

8

11.57

6.366

4.755

4.039

3.626

3.363

3.502

2.876

10

14.46

7.811

5.668

4.667

4.100

3.741

3.318

3.078

R3

1

1.741

1.367

1.274

1.235

1.211

1.196

1.177

1.167

2

1.592

1.342

1.266

1.229

1,208

1.194

1.177

1.167

4

1.019

1.178

1.194

1.189

1.183

1.176

1.167

1.160

6

0.671

0.972

1.079

1.120

1.137

1.144

1.148

1.148

8

0.486

0.796

0.955

1.035

1.077

1.100

1.123

1.313

10

0.377

0.661

0.840

0.946

1.010

1.049

1.090

1.110

R4,

R5

1

4.502

4.501

4.502

4.502

4.502

4.502

4.502

4.502

2

6.366

5.368

5.064

4.918

4.832

4.774

4,704

4.664

4

11.33

7.482

6.366

5.850

5.556

5.368

5.138

5.004

6

17.11

9.986

7.878

6.912

6.366

6.020

5.604

5.368

8

23.15

12.732

9.550

8.078

7.252

6.726

6.104

5.752

10

29.33

15.672

11.33

9.334

8.200

7.482

6.636

6.150

图5设计电路

仿真波形

图6

幅频特性

图7

调试结果

处于中心频率时滤波器显示图形如下：

图8

截止频率时示波器显示波形：

高低频时处于截止状态，示波器显示波形如下：

幅频特性曲线：

四遇到的问题

在这次实践中我们遇到了一些问题，在最后阶段的调试时，我们才发现电容用错了，最后我们不得不重新焊接电路，由于实践问题，我们也只能放弃了一个方案，只焊接了一个电路。

这还是说明我们实践的少，希望以后能多实践来弥补我们的不足，提高我们的能力。

五项目总结

拿到这个项目之后，我们首先查阅了大量资料，了解了带通滤波器的基本模型，及公式算法。

通过这次课程设计，加强了我们的动手、思考和解决问题的能力。

在整个课程设计过程中，我们用了两套方案来实现题目的要求。

通过实际的操作，调试，使我们对滤波器有了更深入的了解。

对于我们通信工程专业来说实践能力又十分重要，所以这次机会对我们来说非常的重要。

实践是对课本上知识的巩固，通过实践我们加深了对知识的理解。

另外，通过在网上查阅资料，我们发现了自身的不足，了解到自身的水平十分有限，需要学习的地方还很多，有很多知识需要自己去拓展，同时也需要更多的实践来完善我们对知识的理解。

从理论到实践，在整整两星期的日子里，我们遇到了一些困难和问题，都需要我们自己去解决，但是可以学到很多很多的的东西，这些东西都是课本所不能学到的，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

六元件清单

方案1

序号

编号

名称

型号

数量

1

R1

电阻

820ohm

1

2

R2

电阻

300kohm

1

3

R3

电阻

16kohm

2

4

C1，C2

电容

10nf

4

5

无

示波器

XSC1

1

6

U1

集成运放

741运放

1

7

V2,v3

直流电压源

12v

2

方案2

序号

编号

名称

型号

数量

1

R1

电阻

30k

2

2

R2

电阻

10k

1

4

R4R5

电阻

62k

2

5

R2+

电阻

1k

1

6

C1，C2

电容

10nf

4

7

U1

集成运放

741运放

1

8

无

示波器

XSC1

1

9

V2,v3

电压源

12v

2