通信1123班2组有源带阻滤波器课设报告.docx
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通信1123班2组有源带阻滤波器课设报告
科信学院
电子电路仿真及设计CDIO三级项目
设计说明书
（2012/2013学年第二学期）
题目：
RC有源带阻滤波器
专业班级：
通信工程11级3班
学生姓名：
师景福、赵路阳、金泽明、王梦梦
杨建彪、麻志浩、董亚贤、
学号：
2308、2309、2310、2311、
2313、2314、2315、
指导教师：
马永强、贾少锐、李晓东、付佳
设计周数：
2周
2013年7月5日
一、±5v直流电源
1.1概述
为RC有源带阻滤波器和信号发生器提供电源。
1.2设计要求
±5v直流电源
1.3系统原理
图1系统原理图
首先是对220V的高压进行变压，变压器的具体的匝比要根据下级的电路来确定。
变压之后的电流仍然为交流，在通过整流电路后，变为脉冲直流。
滤波电路可以消除脉冲，但是输出的直流电压仍不稳定。
最后，通过稳压电路，使得电压的稳定性大大提高，整个过程如图1。
1.4电子元件
（1）0.1µF电容2个
（2）2200µF电容2个
（3）470µF电容2个（4）470Ω电阻2个
（5）LM7805CT1个（6）LM7905CT1个
（7）整流桥1个（8）发光二极管2个
（9）变压器1个（10）面包板1个
1.5电路
1.6multisim仿真结果
1.7制作过程
1.7.1焊接制作
按照上述电路图，在面包板上进行排版设计和连线焊接。
所得实物图如下。
直流电源实物图
1.7.2测试
用万用表测试该制作的电源为﹢4.98v和﹣4.98v，属于误差范围之内，所以该电源符合设计要求。
万用表实物测试图
二、RC正弦波振荡器
2.1实验原理
RC正弦波振荡器的实验电路如图1所示。
图（b）Multisim仿真电路图
图（c）Multisim仿真振荡器输出波
图1RC正弦波振荡器
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。
2.1.1RC串并联正反馈网络的选频特性
电路结构如图2所示。
一般取两电阻值和两电容值分别相等。
由分压关系可得正反馈网络的反馈系数表达式：
令
，则上式为
由上式可得RC串并联正反馈网络的幅频特性和相频特性的表达式和相应曲线（如图3和图4所示）。
由特性曲线图可知，当ω＝ω0时，正反馈系数达最大值为1/3，且反馈信号与输入信号同相位，即φF＝0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振ω＝ω0＝1/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为
当输入信号
的角频率低于ω0时，反馈信号的相位超前，相位差φF为正值；而当输入信号的角频率高于ω0时，反馈信号的相位滞后，相位差φF为负值。
2.1.2带稳幅环节的负反馈支路
由上分析可知，正反馈选频网络在满足相位平衡的条件下，其反馈量为最大，是三分之一。
因此为满足幅值平衡条件，这样与负反馈网络组成的负反馈放大器的放大倍数应为三倍。
为起振方便应略大于三倍。
由于放大器接成同相比例放大器，放大倍数需满足
=1+
，故
2。
为此，线路中设置电位器进行调节。
为了输出波形不失真且起振容易，在负反馈支路中接入非线性器件来自动调节负反馈量，是非常必要的。
方法可以有很多种。
有接热敏电阻的，有接场效应管的（压控器件），本实验是利用二极管的非线性特性来实现稳幅的。
其稳幅原理可从二极管的伏安特性曲线得到解答。
如图5所示。
在二极管伏安特性曲线的弯曲部分，具有非线性特性。
从图中可以看出，在Q
点，PN结的等效动态电阻为
；而在Q
点,PN结的等效动态电阻为
；显然，
>
；也就是说，当振荡器的输出电压幅度增大时，二极管的等效电阻减少，负反馈量增大，从而抑制输出正弦波幅度的增大，达到稳幅的目的。
通过Rp调节负反馈量，将振荡器输出正弦波控制在较小幅度，正弦波的失真度很小，振荡频率接近估算值；反之则失真度增大，且振荡频率偏低。
这是在实验中应当注意的。
2.2实验内容
1．参照图1（b）建立仿真电路，用示波器观察输出波形。
2．根据起振要求，电压负反馈电路的电压放大倍数要略大于3，调节电位器Rp，使电路起振且输出良好（尽可能取小的幅值，使输出失真较小）的正弦波，测取输出正弦波的电压有效值Vo。
3．测量振荡频率fo
（1）用示波器测取fo
用示波器内的光标测量功能读出T，计算获得fo。
（2）用函数信号发生器的频率计功能测量振荡频率f0
振荡电路的输出电压与函数信号发生器的“计数器输入”端连接，按下函数信号发生器的“外测频率”各相关控制键后，在函数信号发生器的5位LED显示器上显示被测信号的频率f0。
将测量结果填入表1：
表1
C1（uF）
C2（uF）
R2（KΩ）
R4（KΩ）
f0（KHz）
0.022
0.022
2.0
2.0
3.520
0.022
0.022
3.5
3.5
2.031
0.022
0.022
5.0
5.0
1.427
2.3实验过程及示波器波形
2.3.1焊接制作
按照上述电路图，在面包板上进行排版设计和连线焊接。
所得实物图如下。
图（a）信号发生器实物图
2.3.2测试
用示波器测得波形如下图所示，并且频率通过滑动变阻器可调。
图（b）实物波形图
三、RC有源带阻滤波器
3.1内容摘要
带通滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。
带阻滤波器的功能是在规定的频带信号不能通过或受到很大衰减，而在其余频率范围，则信号能顺利通过。
本实验的目的就是通过运放741设计一个有源带阻滤波器的电路。
3.2设计任务
采用通用运放741设计一个有源带阻滤波器电路。
3.3实验要求
有源电压：
-5V~5V；
中心频率：
2KHz;
频带宽度：
1.6K-2.4KHz；
输入信号频率：
1.0—5.0KHz。
3.4实验原理
带阻滤波器即不允许某一频率带范围内的信号通过，而允许其余频率的信号通过的滤波器。
将低通滤波器和高通滤波器并联起来，再加上一个求和电路，并使低通滤波器的截止频率ｆH低于高通滤波器的截止频率ｆL，即可构成带阻滤波器。
ｆH和ｆL之间的频带即为带阻滤波器的阻带。
原理图如下图所示：
3.5方案选择
外围电路由电阻电容网络组成，由电阻电容的谐振实现带阻作用。
通过741芯片中的放大器实现增益作用。
通过选择恰当的电阻电容值，调整中心频率和带宽，便可以实现实验的要求。
3.6电路设计、参数计算及元器件选择
3.6.1电路设计
低通滤波器：
截止频率：
f=1/2π*R*C
高通滤波器：
截止频率：
f=1/2π*R*C
将两个基本电路并联即可得到带阻滤波电路。
3.6.2参数计算
中心频率f0=1/（2πRC）=2kHz;
品质因数Q=1/[2（2-Aup）]=2.5;
带宽BW=2（2-Aup）f0=0.8;
Aup=1+（R4/R3）=1.8;
R1=R2=2R5=3.618kΩ；
C1=C2=C3/2=22nF.
3.6.3元器件选择
由于题目中给出的带宽为0.8KHz，代入公式可求得Kf=1.8，即确定了RF=1.8Rf，选择较大的电阻值可使电路更稳定，因此取RF阻值为120K。
由中心频率为2KHz，代入公式可得R与C的取值关系。
由电路常识知道电容较小时电路运行能更稳定，所以选取较小的电容，取C=22nF，代入C的值可得R的取值约为3.618KΩ，取R1和R2为3.618KΩ。
实际连接时发现不能精确实现3.618KΩ，考虑到实际连接电路时的方便，为减少元件个数，使用3.3KΩ、330Ω电阻各一个串联成3.63KΩ的电阻，近似实现3.618KΩ的电阻，实际实验中发现对结果影响不大，中心频率有稍许偏差，但符合指标。
由此得到元件参数，并结合实际选择元件：
22nF电容四个，3.3kΩ电阻四个，330Ω电阻四个，120KΩ电阻一个，150KΩ电阻一个，另外再加上,741芯片一块，导线若干，面包板一块。
3.7实验仪器
（1）信号发生器
（2）直流稳压电源5v（3）741芯片
（4）电阻3.3K（4个），330Ω（4个），120K，150K，
（5）电容22nF（4个）
3.8实验内容
3.8.1仿真概述
（1）.按照所设计的实验电路在multisim12上连接电路图，再根据自己的学习情况，通过查找资料对电路图进行修改。
（2）通过参数之间的关系及其相关公式计算出符合要求的中心频率及其带宽。
（3）对电路进行仿真，看是否符合要求。
如果不能满足条件，则对其进行适当的调整，直至满足要求为止。
（4）通过对电阻R和电容C的调节，以改变中心频率和带宽，思考电阻电容如何改变会引起中心频率的移动和带宽的伸缩。
3.8.2仿真具体步骤
仿真所用电路图：
调节中心频率为2KHz，通频带为1.6KHz~2.4KHz时的各个电阻值，仿真波形如下：
1、示波器输入输出波形：
2、频谱图：
3.8.3实验项目与测试方法
1、选好元件后，按图连接电路，尤其注意正负电源的连接，以免烧坏芯片。
选取实验室C=22nF的电容之后，由f0=1/（2πRC）=2kHz计算得到R=3.618KΩ，由于找不到3.618KΩ的电阻，所以采用3.3KΩ和0.3KΩ串联近似实现3.618KΩ的电阻。
由于找不到1.809KΩ的电阻，所以采用3.63KΩ和3.63KΩ并联近似实现1.809KΩ。
44nF电容也由两个22nF电容并联实现。
2、将信号发生器连接电路的输入端，使示波器的两个输入端分别连接电路的输入端和输出端。
3、调整信号发生器，使输出峰峰值为80mV、频率为2KHz的正弦电压。
4、观察示波器，看电路输出端是否为正弦信号，若不是，说明电路连接错误，检查电路至电路输出稳定的正弦波信号。
5、改变输入信号频率，观察示波器的输出信号的变化特征，如果在2KHz附近有明显衰减，说明电路功能实现正确，若不是，则继续寻找错误，修正电路，直至满足要求。
6、将交流毫伏表连接到电路的输出端，测量输出信号的电压有效值，改变输入信号频率为1.42~3.52KHz，观察并记录输出信号的有效值，最后由所记录数据得出电路的中心频率及其带宽。
由数据得知，在实际电路中，由于电阻和电容的误差以及面包板的接触不稳定，中心频率略微偏移，达到了2.08KHz左右。
带宽略大于要求带宽。
1.6KHz和2.4KHz处增益衰减均大于3dB，两项指标均符合要求。
3.8.4焊接制作
按照上述电路图，在面包板上进行排版设计和连线焊接。
所得实物图如下。
3.8.5示波器滤波效果
把锁制作成功的滤波器连接前期制作的信号发生器和电源，由示波器可观察到的波形如下图。
RC有源滤波器实物波形图
3.8.6实验数据
F（KHz）
5
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.4
2.3
2.2
OUT
2.66V
2.73V
2.8V
2.78V
2.64V
2.38V
1.95V
0.85V
0.66V
F（KHz）
2.1
2.05
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.0
OUT
0.32V
0.14V
0.074V
0.098V
0.28V
0.48V
1.02V
1.4V
2.48V
3.8.7频谱图
由实验测得的数据绘制的频谱图如下：
RC有源带阻滤波器频谱图
3.9误差分析
（1）面包板的管脚与导线之间的连接不够稳定，实际值与理论值有一定的误差，会造成数据不够准确。
（2）有时没有合适的电阻，只好通过串并联的形式组合，也会造成一定的误差。
（3）在实际的电路所得的波形有一些相位失真，这可能是由于元件之间接触不是非常好，芯片功能不够稳定造成的。
另外在仿真中也有一些相位失真，说明这个有源带阻滤波器的方案还有需要改进的地方，外围电路中的电阻电容值与理论存在差别。
需要改进选择的电阻和电容的精度。
（4）在开始时无论如何也不能把波形测得，重试好几次以后才发现原来是直流电源的接头坏掉了。
3.10实验总结
（1）实验开始前，自己兴致勃勃的来到实验室，以为这次实验像以前一样，有老师指导，自己很快就能做完。
但是发现，一切东西都要自己搞定。
（2）电路图给我带来了很多的麻烦，中心频率调节成功后，带宽的参数总是不能正确仿真出来，在经过多次改动才做好。
培养了我的耐心。
（3）学习了最基本的运算放大器741的使用，对它有了更深层次的理解和掌握。
只有在自己错了好多次的情况下，才明白了它的使用方法和理论。
（4）连接实物图阶段，我遇到了很多的困难，但是经过自己耐心的检查和向老师同学请教，使我深刻的认识到理论和实践的差别，这锻炼了我的动手能力，也是我意识到勤动手的重要性。
参考文献：
[1]郑君里,应启珩,杨为理.信号与系统（第三版），2011.3（3）：
[2]谢嘉奎,宣月清,冯军.电子线路（非线性部分第四版），2000.5（4）：
附录：
评语
成绩
指导教师
（签字）
年月日
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