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高通滤波器设计及仿真
信息与电气工程学院
电子电路仿真及设计CDIO三级项目
设计说明书
(2013/2014学年第二学期)
题目:
高通滤波器系统仿真及设计
专业班级:
通信工程班
第一章文氏桥振荡器-------------------------------------------------1
1.1振荡器的设计及要求---------------------------------------------1
1.2系统工作原理---------------------------------------------------1
1.3电路设计原理图,实物图,参数计算及仿真--------------------------2第二章高通滤波器---------------------------------------------------6
2.1实际滤波器的基本参数--------------------------------------------6
2.2滤波器的设计目的------------------------------------------------6
2.3设计要求--------------------------------------------------------7
2.4系统的设计方案--------------------------------------------------7
2.5系统工作原理----------------------------------------------------7
2.6滤波器设计仿真,仿真结果,实物图,实测结果----------------------7
第三章合成电路----------------------------------------------------11
3.1合成电路仿真图-------------------------------------------------11
3.2焊接成品-------------------------------------------------------12
第四章心得体会----------------------------------------------------14
附录---------------------------------------------------------------14
参考文献-----------------------------------------------------------14
第一章文氏桥振荡器
1.1振荡器的设计及要求
(1)设计任务:
根据文氏桥原理设计一正弦波振荡器。
(2)设计要求:
文氏桥正弦波振荡器频率可调(频率500~10KHZ,振幅0.5~4V),能满足该滤波系统所要求的频率范围和幅度。
1.2系统工作原理
该电路由三部分组成:
作为基本放大器的运放;具有选频功能的正反馈网络;具有稳幅功能的负反馈网络。
文氏桥振荡器原理图如下图1所示:
图1文氏桥振荡器原理图
从电路构成看,电路有两个“桥臂”构成,
,
构成负反馈桥臂,并联RC网络和串联RC网络再串联构成正反馈桥臂,即文氏桥振荡器既有正反馈也有负反馈。
负反馈增益:
=1+
/
(1-a)
正反馈增益
=1/(3+j(f/
-
/f))(1-b)
总增益
=
)=(1+
/
)/(3+j(f/
-
/f))(1-c)
上式中
=
先定性分析:
频率无穷低时,即f趋于0时,f/
趋于无穷大,总增益趋于零。
频率无穷高时,即f趋于
时,f/
趋于无穷大,总增益趋于零。
直观判断,是一个带通网络,事实上,的确如此,并且增益的峰值出现在f=
,此时A(jf)=(1+
/
)/3
即:
A(jf)是实数,也就是说,频率为
的信号经过环路一周后,其相移为0。
/
的值不同时,电路出现下述三种情况:
(1)A<1时,假如电路有一个扰动,扰动每经过环路一次,信号被衰减,负反馈占“上风”,电路是稳定系统,最终扰动趋于零。
(2)A>1时,假如电路有一个扰动,扰动每经过环路一次,信号被放大,正反馈占“上风”,电路是不稳定系统,出现幅度不断增大的震荡。
(3)A=1时,负反馈与正反馈“旗鼓相当”,电路为中性的稳定状态,出现扰动时,频率为
的信号分量维持原有大小,无限持续下去。
显然,上述电路还会有问题,首先,实际不可能做到A=1,其次,振荡器的输出幅值不可控,为此,最好开始时,振荡幅值足够大之前,A>1,震荡幅值达到预定的幅值之后,A=1,显然,这样的电路,需要加入一些非线性环节。
如图2所示
图2加非线性系统的文氏桥振荡器原理图
1.3电路设计原理图,实物图,参数计算及仿真
1.3.1电路设计原理图(仿真图)如图3所示
图3文氏桥振荡器仿真电路图
1.3.2参数计算
(1)电路震荡频率计算:
f=1/2πRC(1-d)
起振条件:
Rf/Ri>=2其中Rf=Rw+R2+R3/Rd由其电路元件特性R=10kC=33nf产生自激震荡,微弱的信号1/RC经过放大,通过反馈的选频网络,使输出越来越大,最后经过电路中非线性器件的限制,使震荡幅度稳定了下来,刚开始时Av=1+Rf/Ri>3。
平衡时Av=3。
(2)在实物焊接中采用同轴电位器,固定电容的值,通过转动同轴电位器同时改变两个电阻的值,从而改变文氏桥振荡器的输出频率。
(3)再者就是振荡器的起振时间,电阻
确定起振时间,其值越大,起振时间越短,其值越小,震荡时间越长。
(4)直流电源电源的选取:
选择实验室提供的正负5V电源,可以满足集成块的性能指标,输出在一定范围内可以满足,但是如果输出很大时,就会出现失真。
严重影响测试结果。
1.3.3仿真结果
示波器仿真输出波形图如图4所示:
图4示波器仿真输出波形
(1)从示波器输出波形可以看出振荡器可以输出稳定的正炫波信号,且无明显失真,观察幅值可以得出振荡器可以输出约为1.6V的电压,在输出电压峰值范围内,想得到任意值得电压,可以在输出端加一个电位器实现分压的作用,从而得到规定的电压值。
(2)文氏电桥振荡器的优点是:
不仅振荡较稳定,波形良好,而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。
(3)加入非线性环节后,负反馈网络原来的反馈电阻可能取的值将比不加非线性环节时小一些,输出信号也有可能取到比原来更小的幅值。
如果非线性环节由二极管和电阻并联组成,那么无论是调节非线性环节的电阻,还是调节负反馈网络中的其他电阻,都可以让输出波形的幅值变大。
通过负反馈网络调节输出信号幅值的过程中,非线性环节中的电阻由于受到并联二极管的动态电阻的制约,在其阻值足够高时将失去对输出信号的调节作用。
(4)调节负反馈网络中与非线性环节并联的其他反馈电阻,将会使输出信号的幅值产生比较明显的变化。
1.3.4实测示波器输出波形
文氏桥振荡器示波器输出波形如图5所示:
图5实测示波器输出波形图
1.3.5振荡器实物图
文氏桥振荡器实物图如图6所示:
图6文氏桥振荡器焊接实物图
第二章高通滤波器
2.1实际滤波器的基本参数
理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图中,通带和阻带之间应没有严格的界限。
在通带和阻带之间存在一个过渡带,在过渡带内的频率成分不会被完全抑制,只会受到不同程度的衰减。
当然,希望过渡带越窄越好,也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。
因此,在设计实际滤波器时,总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。
理想滤波器的特性只需用截止频率描述,而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点,故需用更多参数来描述。
纹波幅度d:
在一定频率范围内,实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化,其波动幅度d与幅频特性的平均值
相比,越小越好,一般应远小于-3dB。
截止频率
:
是高通滤波器通带与阻带的界限频率。
幅频特性值等于0.7070
所对应的频率称为滤波器的3dB截止频率。
以
为参考值,0.7070A对应于-3dB点,即相对于
衰减3dB
带宽B和品质因数Q值:
上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽,或-3dB带宽,单位为Hz。
带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。
在电工学中,通常用Q代表谐振回路的品质因数。
品质因数,它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
在二阶振荡环节中,Q值相当于谐振点的幅值增益系数,Q=0.5ξ(ξ--阻尼率)。
对于带通滤波器,通常把中心频率
和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。
例如一个中心频率为500Hz的滤波器,若其中-3dB带宽为10Hz,则称其Q值为50。
Q值越大,表明滤波器频率分辨力越高。
滤波器的截止频率用来说明电路频率特性指标的特殊频率。
当保持电路输入信号的幅度不变,改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍,或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。
在高频端和低频端各有一个截止频率,分别称为上截止频率和下截止频率。
dB的计算公式是20*log10(x),x为信号某一个频率上的幅值。
用滤波器去测试其截止频率,保持电路输入信号的幅度不变,改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍,所测值为其截止频率。
滤波器的带宽为两个截止频率之间的频率范围,又称为通频带
2.2滤波器设计目的
(1)了解高通滤波器的组成及原理
(2)掌握元器件参数的选择,学会焊接电路板
(3)熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法
(4)学会使用multisim仿真
2.3设计要求
(1)下限截止频率为1.6Khz;
(2)增益
=2~5;
2.4系统的设计方案
图(a)是一个二阶高通滤波器。
图中虚线部分是一个无源二阶高通滤波器电路,为了提高它的滤波性能和带负载的能力,将该无源网络接入由运放组成的放大电路,组成二阶有源RC高通滤波器。
高通滤波电路的传递函数为:
2.5系统工作原理
二阶有源高通滤波电路如上图(a)所示,由图可见,它是有两节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。
二阶有源高通滤波器
(1)截止频率的计算
(2-a)
(2)增益的计算
=1+
/
(2-b)
(3)品质因数的计算Q=
(2-c)
由此可画出其幅频响应曲线,如上图(b)
2.6滤波器设计仿真,仿真结果,实物图,实测结果
2.6.1滤波器设计仿真
①仿真电路图如图7所示:
图7高通滤波器仿真电路图
2参数选择
(1)电阻R和电容C决定下限截止频率,通过
1/2пRC我们选择R=3.2KC=33nF,计算得到下限截止频率为1507hz。
(2)
和
的选取:
决定电路的宽带增益,我们设置宽带增益为2,故此设置
=
,一般选取
+
=
∥
,在此选取
=
=12k。
(3)集成块选择规定的LM741。
(4)电源选取:
选取实验室现有的正负5V直流电源。
(5)信号源的选取:
单独设计高通滤波器的时候需要加一个信号源来测试,设置信号源一个幅值,通过改变信号源的频率可以定性的观察出高通滤波器的基本特性。
2.6.2仿真结果
(1)示波器输入输出波形如图8所示
图8示波器输入输出波形
上图中红色线代表输入,蓝色线代表输出,从波形上可以看出基本无明显失真,在通带范围内电压幅值增益约为2倍,满足设计要求。
(2)高通滤波器频谱特性分析
利用波特图示仪分析结果如图9所示:
图9滤波器输出幅值变化曲线
从图中可以看出基本满足高通滤波器的特点,下限截止频率约为1.5khz,当频率足够大时,输出幅值又有所下降,这是因为滤波器中有放大器,既有集电结,集电结中有结电容,当频率足够高时,由于结电容效应的影响,放大倍数就会下降,故存在上限频率。
2.6.3实物图
焊接实物图如图10所示:
图10高通滤波器焊接实物图
2.6.4实测结果
实测示波器输出波形如图11所示:
图11实测高通滤波器输出波形
第三章合成电路
3.1合成电路仿真图
(1)文氏桥振荡器与高通滤波器合成电路如图12所示:
图12合成电路仿真图
图中,前半部分为文氏桥振荡器,可以产生频率可调振幅稳定的正旋波,后半部分为高通滤波器,假如震荡频率从小变大,可以观察到输出振幅先渐渐增大,后趋于稳定,这是因为滤波器经历阻带,过渡带,通带。
由此可以画出输出幅值随频率变化的曲线图。
(2)Multisim仿真输出波形如图13所示:
图13Multisim仿真示波器输出波形图
3.2实物焊接
(1)实物焊接成品如图14所示:
图14实物焊接成品图
(2)实物测试结果
在过渡带范围内测得示波器输出波形如图15所示:
图15实测示波器过渡带输出波形
图15中,上面的波形为振荡器的输出波形,下一波形为通过高通滤波器之后输出的波形,可以明显的观察到信号通过滤波器之后信号有明显的衰减,体现出了滤波的效果。
在通带范围内实测示波器的输出波形如图16所示:
图16实测通带范围内示波器输出波形
图16中,上面的波形为振荡器的输出波形,下面的波形为通过示波器后输出的波形,可以明显的观察到,信号通过滤波器后有明显的放大,符合高通滤波器通带范围内放大的原理。
(3)通过测量多组数据手绘的幅频曲线图如图17所示:
图17滤波器的幅频特性曲线图
第四章心得体会
通过此次课程设计,不仅学会了很多课本上没有的知识,也增强了个人的动手能力,当然还有团队的力量。
有很多问题不是一个人可以独立完成,需要集结大家各自的想法,才能达到最佳的结果。
当然,我们在实际仿真和焊接中遇到了很多问题,比如说,幅频特性的分析,焊接过程中的元器件的布局等等;不过这都经过我们的研究讨论一一解决了,虽然我们设计的电路不是最好的,可能存在一些瑕疵,但是我们会尽我们最大的努力做得更好。
参考文献:
[1]童诗白主编,模拟电子技术基础,高等教育出版社,2010.
[2]王远主编,模拟电子技术,北京:
机械工业出版社,1994.
[3]谢嘉奎主编,电子线路第4版,北京:
高等教育出版社,1999.
附录.所用元件
元器件
型号
主要参数
数量
备注
集成块
UA741
2个
8管脚插槽
2个
电阻
2.2k
1个
3.2k
2个
3.8k
1个
12k
2个
100k
1个
同轴电位器
电容
33nF
4个
二极管
1BH62
2个
直流电源
+5V-5V
1个
所用测试仪器:
示波器,万用表。
评语
成绩
指导教师
(签字)
年月日
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- 关 键 词:
- 滤波器 设计 仿真