低频信号滤波放大整形及鉴频电路设计.docx
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低频信号滤波放大整形及鉴频电路设计
沈阳航空航天大学
课程设计
(说明书)
低频信号滤波放大整形及鉴频电路设计
班级/学号
学生姓名
指导教师赵鑫
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称电子线路课程设计
课程设计题目低频信号滤波放大整形及鉴频电路设计
课程设计的内容及要求:
一、设计说明与技术指标
设计一个带通滤波放大、整形和鉴频电路。
实际工作中输入信号一般由传感器产生,本次设计采用函数发生器给出。
输出信号要求整形为是方波信号,以便CPU的后续信号采集和处理。
滤波放大电路建议采用TI公司的FilterPro,这是一款很好的滤波器设计软件。
整形电路建议采用施密特触发器。
鉴频电路自己选择方案。
技术指标如下:
①带通滤波器设计参数:
通带增益Ao=10db,中心频率fo=1000Hz,通带增益纹波Rp=1db,通带带宽Bwp=100Hz,截止带带宽Bws=800Hz,截止带衰减-10dB。
②设计一个整形电路,将滤波后的信号整形为方波。
③设计一个1000Hz的鉴频电路,频率锁定后输出用LED指示。
二、设计要求
1.在选择器件时,应考虑成本。
2.根据技术指标,通过分析计算确定电路和元器件参数。
3.画出电路原理图(元器件标准化,电路图规范化)。
三、实验要求
1.根据技术指标制定实验方案;验证所设计的电路,用软件仿真。
2.进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础.[M]北京:
高等教育出版社,2006年
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩指导教师日期
一、概述
实际中的用途:
本设计在实际中主要用于对低频信号滤波放大整形及鉴频。
在生活中,信号的放大,整形用处十分广泛,对于一般的信号,必须经过有整流电路、滤波电路、放大电路组成的功能模块以后才会变成是对人类观察研究有益的信号。
设计原理及方法:
一:
利用FilterPro软件设计出一个带通滤波放大器,得到参数后设计在Multisim软件中进行滤波放大处理;二:
利用555施密特触发器对输出信号整形为是方波信号;三:
利用失谐的LC谐振回路实现FM-AM转换,用二极管包络检波实现的一种振幅鉴频。
二、方案论证
主要设计方案就是一个可以将低频正弦信号放大滤波后转换为方波信号的电路,并对方波进行鉴频。
电路设计总方案:
用滤波放大电路把固定频段的低频信号过滤出来并进行放大,再通过555芯片构成的施密特触发器使信号整形为方波信号,最后对输出的方波信号进行振幅鉴频。
电路原理框图如图1所示:
图1中频信号滤波放大整形及移相电路的原理框图
基本方案:
把信号发生器产生的低频正弦信号经过滤波电路过滤,只留下需要的信号。
根据设计要求过滤掉不符合设计要求的信号需要设计一个带通滤波放大电路,根据参数通带增益Ao=10db,中心频率fo=1000Hz,通带增益纹波Rp=1db,通带带宽Bwp=100Hz,截止带带宽Bws=800Hz,截止带衰减-10dB,这样设计出来的电路就可以过滤出所要求的中频信号,且频率不变,符合要求。
接下来是由555芯片组成的施密特触发器,滤波电路之后的信号进入到施密特触发电路,可以将正弦波转化为同频率的方波。
最后是鉴频电路,利用失谐的LC谐振回路实现FM-AM转换,用二极管包络检波实现振幅鉴频。
设计基础:
TI公司的FilterPro,这是一款很好的滤波器设计软件。
通过这些参数设计出需要的电路,其中所用的电阻的阻值和电容的容抗都会在软件设计的电路中体现出来。
最后将设计出的电路图由Multisim软件进行仿真;我们在数字电路课程中学到过555芯片,管脚较少易于链接,而且其性价比较高,有它构成施密特触发器对信号进行整形是很好的选择;对与鉴频电路,我选择利用失谐的LC谐振回路实现FM-AM转换,用二极管包络检波实现振幅鉴频,这种方法较为简单,易于操作和进行仿真。
这样,仿真电路基本完成,此电路可以将信号发生器的信号过滤放大整形成同频率的方波信号,并进行鉴频。
有仿真结果知:
可以实现预期的要求,但存在一定误差。
三、电路设计
1.放大滤波电路:
设计带通滤波放大,设计参数:
通带增益Ao=10db,中心频率fo=1000Hz,通带增益纹波Rp=1db,通带带宽Bwp=100Hz,截止带带宽Bws=800Hz,截止带衰减-10dB。
带通滤波放大电路设计图如图2所示:
图2放大滤波电路
其中左端为输入端,右端为输出端,输入的是模拟信号,输出的也是模拟信号。
输入信号为1000Hz振幅为10Vp的正弦模拟信号,通过以上公式计算出电路图中元器件的数值,然后在multisim环境下仿真,在截止频率为1000Hz左右时,截止带衰减-10dB。
计算公式:
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C=10nF,由可得
2.施密特触发器电路:
门电路有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
它是一种阈值开关电路,具有突变输入——输出特性的门电路。
这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化(低于某一阈值)而引起的输出电压的改变。
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
输入的信号只要幅度大于vt+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
当输入电压由低向高增加,到达V+时,输出电压发生突变,而输入电压Vi由高变低,到达V-,输出电压发生突变,因而出现输出电压变化滞后的现象,可以看出对于要求一定延迟启动的电路,它是特别适用的。
施密特触发电路如图3所示:
图3施密特触发电路
其中THR和TRI接信号的输出端,同时也是施密特触发器的输入端,输入为模拟信号,OUT端口接输出端,输出的波是数字信号。
3.鉴频电路:
方案一:
采用振幅鉴频法。
能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的FM-AM波,就可以通过包络检波器调解此调频信号。
此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。
方案二:
采用斜率鉴频法。
这是利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波进行解调,因此称为斜率鉴频。
分为单失谐回路鉴频和双失谐回路鉴频。
单失谐回路线性度较差,线性范围较小;双失谐回路由两个单失谐回路连接而成,其鉴频带宽较宽,有良好的线性度,适用于较大频偏情况。
方案选择:
由图4可知,它共有三个谐振回路,初级回路I调谐于调频信号的中心频率
,
=
,次级的两个回路II和III分别调谐于
和
两频率,
>
,
<
。
而且
和
对
是对称的,即
图4双失谐回路鉴频工作原理图
因此此电路叫做双失谐回路鉴频器或平衡鉴频器。
调频信号在回路两端产生的电压
和
的幅度分别以
和
表示。
假设图中两个二极管检波器参数一致,(
,
和
参数一样)。
和
分别经二极管检波器得到输出电压
和
,由于次级回路线圈与
和
接法相反,所以
和
是反相的,合成输出电压
,当输入调频信号的频率由
向升高的方向偏离时,谐振回路II输出电压大,而回路III输出电压小,则检波后
,则
<0。
当输入调频信号的频率由
向降低的方向偏离时,谐振回路II输出电压小,而回路III输出电压大,则检波后
,则
>0。
可以粗略的认为两个检波器传输系数都近于1,可以得出
。
也就是说,
随频率改变的规律应与
随频率改变的规律一致。
将
和
两曲线相减,就可以得出双失谐回路鉴频器的鉴频特性曲线,不仅可以完成鉴频作用,而且鉴频特性的直线性和直线性工作范围都比单失谐回路的振幅鉴频器有显著改善。
这是因为,当一边鉴频输出波形有失真,例如正半周大,负半周小时,对称的另一边鉴频输出波形也必定有失真,但却是正半周小,负半周大,因而相互抵消。
由此可见,这个方案很符合本次课设要求,故选方案二。
四、性能的测试
1.带通滤波放大电路的测试:
带通滤波器设计参数:
通带增益Ao=10db,中心频率fo=1000Hz,通带增益纹波Rp=1db,通带带宽Bwp=100Hz,截止带带宽Bws=800Hz,截止带衰减-10dB。
图5由FilterPro软件得到的带通滤波放大电路图
TI公司的FilterPro软件是一款很好的滤波器设计软件,输入各参数后可以自动生成相应的滤波放大电路图,简单有效。
运用Multisim13进行的高通滤波放大电路如图6所示:
图6带通滤波放大电路
输入频率1000Hz振幅为10Vp的正弦模拟信号,通过上述放大电路后,其输出波特图如图7所示:
图7输出正弦波波特图
观察到Multisim波特图数据与FilterPro软件波特图相符,说明放大器的设计是正确的。
由放大器放大后输出波形如图8所示:
图8放大滤波后图像
其中通道A是输入正弦波的波形,通道B是经过整形放大器输出的波形。
当固定输入振幅为500mV不变,改变输入频率,由波形图数据可得到不同频率下的增益效果,如表1所示
表1不同频率下的衰减增益表
由表可看出在频率为中心频率1000Hz时衰减接近10db,符合题目要求。
2.整形电路测试:
由555构成的施密特整形电路图如图9所示:
图9整形电路图
通过整形后,原被放大的正弦波信号变成了方波信号,如图10所示:
图10正弦波整形为方波图样
3.鉴频电路性能测试:
利用失谐的LC谐振回路实现FM-AM转换,用二极管包络检波实现的一种振幅鉴频。
鉴频电路如图11所示:
图11振幅鉴频电路图
其中中心频率f0=1000Hz左端为输入端,输入为通过整形电路输出的方波。
右端为解调后的信号,解调后图形如图12所示:
图12通过鉴频电路后的输出波形
有图形可见,在稳定之前有一段鉴频电路的调试过程,在这过程中,电压电流都很不稳定,所以LED灯处于闪烁状态,在稳定后,LED等持续发光,符合课设要求。
五、结论
本课程设计主要用于对低频信号滤波放大整形及鉴频。
根据性能测试结果来看,由于放大滤波电路是由Filterpro软件给出,只要在其软件上输入指定的参数值即:
通带增益Ao=10db,中心频率fo=1000Hz,通带增益纹波Rp=1db,通带带宽Bwp=100Hz,截止带带宽Bws=800Hz,截止带衰减-10dB就可以的出相应的电路,并经过实验基本上实现了设计要求。
整形部分运用由555芯片构成的施密特触发器进行整形,参考数电书上的电路图用555芯片和电容搭建出了施密特触发电路并结合仿真,进行多次调试,从测试结果上来看已将正弦波转换成了方波,基本实现了整形的目的,但存在着一定的误差。
对于鉴频电路,利用失谐的LC谐振回路实现FM-AM转换,用二极管包络检波实现的振幅鉴频,自身就存在一定的误差,加上整形电路带来的误差,难免会在一定程度上出现与理论值不太相符的现象,但在整体上来看,基本上实现了设计的要求。
六、性价比
对于本次实验设计,对低频信号滤波放大整形及鉴频。
在性能上来看,电路基本可以实现对低频信号滤波放大整形及鉴频。
就价格上来讲,此设计运用到了运算放大器,就LM324来讲0.46元/PCS;555芯片市场平均价个不超过0.50元/PCS;二极管市场价1.0元/PCS;电容价格平均2/PCS。
总体上来看,此实验设计的性价比是比较高的了。
七、课设体会及合理化建议
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
更是锻炼我们独立解决问题的能力的机会,我们应该把握好这种机会,这对我在学习过程中有着巨大的影响。
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。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,难免会遇到过各种各样的问题,比如对新软件FilterPro的使用方法,555施密特电路的连接问题以及对鉴频电路的设计方案选择和参数设定问题等都是我本次在课程设计中遇到的问题,但是我经过自己查书和上网一一解决了自己所遇到的这些问题,这使我独立解决问题的能力得到了提升,在以后生活和学习过程中,我也会首先通过自己独立思考和查找资料去排疑解难。
参考文献
[1]童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础.[M]北京:
高等教育出版社,2006
[2]阎石主编.数字电子技术.[M]北京:
高等教育出版社,2006年
[3]杨兴瑶、张益清、杨震绪.实用电子电路500例:
化学工业出版社,2006年
[4]丁士圻编.模拟滤波器:
哈尔滨工程大学出版社,2004年
[5]何希才编.常用集成电路简明速查手册:
国防工业出版社,2006年
附录I总电路图
附录II元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
XFG1
信号发生器
1000Hz
1
2
XBP1
波特测试仪
1
3
XSC1、XSC2、XSC3
示波器
3
4
C1
电容
0.01uF
1
5
C2C3
电容
10nF
2
6
C4C11C12
电容
0.1uF
3
7
R1
电阻
159.15kΩ
1
8
R2
电阻
318.31kΩ
1
9
U1
运算放大器
OPAMP_3T_VIRTUAL
1
10
A1
555定时器
555_VIRTUAL
1
14
D1
二极管
SB560
1
15
L1L2
电感
125mH
2
16
VCC
电源
+5V
1
17
R4R5R6R7
电阻
510Ω
4
18
C5C6C7C8
电容
3300pF
4
19
L3L4
电感
40mF
2
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- 低频 信号 滤波 放大 整形 电路设计