模拟电子技术课程设计之滤波器.docx
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模拟电子技术课程设计之滤波器
第一章绪论..............................................1
第二章语音滤波器的设计方案...............................2
2.1设计方案.........................................2
2.2方案选择.........................................3
第三章电路设计...........................................4
3.1二阶有源低通滤波电路的设计.......................4
3.2二阶有源高通滤波电路的设计.......................6
3.3有源带通滤波电路的设计...........................8
3.4EWB仿真分析......................................8
第四章PCB板的制作......................................12
第五章实物测量与误差分析................................13
5.1调试与测量.....................................13
5.2误差分析......................................15
第六章仪器设备及元器件清单..............................17
第七章电路原理图........................................18
第八章设计总结..........................................19
主要参考文献............................................20
附录A实物图..........................................21
致谢....................................................22
第1章绪论
滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过，同时抑制（或衰减）不需要传送频率范围内的信号。
实际工程上常用它能进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。
以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。
此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
通常用频率响应来描述滤波器的特性。
对于滤波器的幅频响应，常把能通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带。
通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。
按照通带和阻带的位置分布，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
第2章语音滤波器的设计方案
2.1设计方案
方案一：
此方案采用RC低通有源滤波器和RC高通有源滤波器串联而成，电路采用二阶压控型有源滤波电路，其原理框图如图2.1所示：
图2.1带通有源滤波器原理框图
优点：
电路性能稳定，增益容易调节。
缺点：
电路相对复杂，采用元器件较多，提高了成本。
方案二：
若采用无限增益多路反馈（MFB）电路设计一个带通滤波器，其原理框图如图2.2所示：
图2.2无限增益反馈电路原理框图
优点：
电路有倒相作用，使用元器件较少。
缺点：
增益调节对其性能参数会有影响。
2.2方案选择
通过比较以上两种方案优点与缺点，我们选择第一种方案。
因为在满足低带通截止频率高于高带通截止频率的条件下，把相同元件压控电压滤波器的低通和高通连接起来可以实现带通滤波器的带通响应。
用该方法构成的带通滤波器的通带比较宽。
带通截止频率易于调整因此多用于做测量信号噪声比的音频带通滤波器。
第3章电路设计
3.1二阶有源低通滤波电路的设计
1、技术指标
低通滤波器电压增益Av=2，截止频率
，阻带衰减速率为
。
2、设计内容
（1）二阶有源低通滤波电路如图3.1所示：
图3.1二阶有源低通滤波电路
（2）二阶低通有源滤波器的传递函数
其中
（3）根据二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表可得：
表3.1二阶低通滤波器（巴特沃斯响应）设计表
压控电压源（VCVS）电路
电路形式
性能参数
设
计
表
电路元器件值
Av
1
2
4
6
8
10
R1
1.422
1.126
0.824
0.617
0.521
0.462
R2
5.399
2.250
1.537
2.051
2.429
2.742
R3
开路
6.752
3.148
3.203
3.372
3.560
R4
0
6.752
9.444
16.012
23.602
32.038
C1
0.33C
C
2C
2C
2C
2C
*电阻为参数K=1时的值，单位为K
说明
增益容易调整，输入阻抗高、输出阻抗低
运放的Ri>10（R1+R2）,输入端到地要有一直流通路
在处，运放的开环增益至少应是滤波器增益的50倍
（4）元器件参数的确定，将上述电阻值乘以参数K=5，得：
3.2二阶有源高通滤波电路的设计
1、技术指标
高通滤波器电压增益Av=2，截止频率
，阻带衰减速率为
。
2、设计内容
（1）二阶有源高通滤波电路如图3.2所示
3.2二阶有源高通滤波电路
（2）二阶有源高通滤波电路的传递函数为
（3）根据二阶滤波器（巴特沃斯响应设计表）可得：
表3.2二阶高通滤波器（巴特沃斯响应）设计表
压控电压源（VCVS）电路
电路形式
性能参数
设
计
表
电路元器件值
Av
1
2
4
6
8
10
R1
1.125
1.821
2.592
3.141
3.593
3.985
R2
2.251
1.391
0.977
0.086
0.705
0.636
R3
开路
2.782
1.303
0.968
0.806
0.706
R4
0
2.782
3.910
4.838
5.640
6.356
*电阻为参数K=1时的值，单位为K
说明
要求运放的Ri大于10R2，R3、R4的选取要考虑对失调的影响，在处，运放的开环增益Av至少是滤波器增益的50倍
（4）元器件参数的确定，将上述电阻值乘以参数K=5，得：
3.3有源带通滤波电路的设计
将一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路级联后可得到一个带通滤波电路，其幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，可知当低通滤波电路的截止角频率ωH大于高通滤波电路的截止角频率ωL时，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。
利用这个特性，可以将一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路级联，得到的滤波电路可以对信号进行频选，通过调整参数即可得到对特定频率段的信号进行筛选，这样就可以得到具有特定功能的语音滤波器。
根据要求，截止频率
，
，
，阻带衰减速率为
，用上述二阶低通滤波器和二阶高通滤波器串联即可。
语音滤波器的工作原理图如图3.3所示。
图3.3语音滤波器工作原理图
3.4EWB仿真分析
根据语音滤波器的原理图，将一级二阶低通滤波电路与一级二阶高通滤波电路级联，便可得到一个选频滤波器，这个滤波器可以对信号的某特定频率段进行筛选，通过抑制无用的频率，从而达到提高信噪比的要求。
我们根据这个特性，将滤波器的参数按照要求进行调整，使其能筛选出对我们有用的信号频率段。
按照要求在EWB上接好仿真电路图，仿真电路图如图3.4所示：
图3.4有源带通滤波电路的仿真电路图
1、阻带测试
将信号发生器的频率设置为4KHz，Ui=10mv，占空比为50%，然后观察示波器的波形，大致读出输出和输入的电压比值可得出放大增益的倍数。
图3.5输入和输出的波形
由上图可知，当上限频率为4KHz时，其放大倍数为1，以超出了选频的范围。
如图3.6所示，将信号发生器的频率设置为100Hz，Ui=10mv，占空比为50%，然后观察示波器的波形，大致读出输出和输入的电压，由输出和输入的电压比值可得出放大增益的倍数。
图3.6输入与输出的波形
由上图可知，当下限频率为100Hz时，其放大增益倍数为1，以超出了选频的范围。
2、测试截止频率、带内增益Av和阻带衰减速率
运行EWB仿真电路，将Us调至10mV，占空比为50%，然后调节输入的频率，观察示波器的波形，计算各个频率时的电压增益，同时观察波特图仪，得到截止频率和阻带衰减速率。
图3.7为仿真得到的波特图:
图3.7有源带通的仿真波特图
根据测量可以的到截止频率、带内增益Av和阻带衰减速率，如表：
表3.3
截止频率
ƒL
ƒH
测量值
207.9Hz
1.928KHz
理论值
200Hz
2KHz
由表3.3可知，该滤波器的截止频率在200Hz到2000Hz之间，基本符合设计要求。
表3.4
幅频特性
输入信号
200Hz
600Hz
1KHz
1.6KHz
2KHZ
测量值
3.2
3.9
4.0
3.8
3.5
理论值
4
4
4
4
4
由表3.4可知，该滤波器带内增益Av都在4左右，基本符合设计要求。
从波特图中观察可得出阻带衰减速率为-37.92dB/10倍频，与理论值40dB/10倍频相近，基本符合设计要求。
第四章PCB板的制作
按照原理图，我们画好PCB图：
第五章实物测量与误差分析
5.1调试与测量
1、将做好的实物连接到试验台上，进行测试。
2、观察示波器上显示的输入与输出波形，并判断是否符合设计要求。
必要时，可以通过调节电位器，来获得所需要的增益。
在实物测量过程中得到的波形如下所示：
3.测量结果如表5.1所示：
Vpp
（1）（mv）
Vpp
（2）（mv）
fH（Khz）
58.8
152
205
58.8
212
303
58.8
228
398
58.8
233
502
58.8
240
952
58.8
244
1.121
58.8
248
1.220
58.8
234
1.408
58.8
216
1.587
58.8
208
1.724
58.8
194
1.852
58.8
168
2.024
表5.1
5.2误差分析
1.理论值计算
2.实测值计算
3.误差计算
4.分析结果
根据以上的理论值与测量值的计算可以看出，实物的各项指标参数与设计要求基本相符合。
造成误差的原因很多，各元器件的参数是否精确，测量仪器能否精确测量，测量的方法是不是正确，另外还一个重要原因是测量环境，是否存在电磁干扰，它将在一定程度上造成测量的不准确。
第6章仪器设备及元器件清单
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流稳压电源
双路0~30V
1台
2
函数信号发生器
低频
1台
3
双踪示波器
0~10M
1台
4
电阻
5.5KΩ
1个
R1
5
电阻
11KΩ
1个
R2
6
电阻
9.0KΩ
1个
R5
7
电阻
6.5KΩ
1个
R6
8
电位器
50KΩ
2个
R3、R4
9
电位器
20KΩ
2个
R7、R8
10
电容
0.01μF
1个
C1、C2
11
电容
0.1μF
1个
C3、C4
12
集成运算放大器
uA741
2块
13
PCB实验板
1块
第7章电路原理图
第8章设计总结
在此次模拟电子技术课程设计中，我们组选择了语音滤波器这一设计课题。
起初对这一课题的设计电路和设计方案都不是很清楚，后通过查阅相关资料。
初步了解了有源低通滤波电路、有源高通滤波电路、有源带通滤波电路的基本概念。
而后根据设计任务书中设计提示，明确了可以采用一级二阶低通有源滤波电路与一级二阶高通有源滤波电路串联组成有源带通滤波电路，同时根据二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表进行设计并采用压控电压源（VCVS）电路。
有了以上的提示后，便根据设计要求制定了此次课程设计的初步方案：
1、设计电路原理图，分析电路特点；
2、根据巴特沃斯响应设计表查找到电容、电阻元器件的设计值；
3、通过在EWB创建电路图并对各项性能指标进行测试（包括对截止频率、带内增益AV、阻带衰减速率）;
4、根据原理图采用PCB板将各元器件焊接完整（其中运放采用uA741芯片）；5、为了方便调试可将控制带内增益AV的电阻改成了可调的电位器。
在实际的操作过程中还是遇到了很多的困难，最开始在EWB仿真电路测试部分因电路设计不对导致各项性能指标完全不能符合设计要求，后经过小组仔细讨论确定了最终方案并使仿真结果符合设计要求。
在去市场上买元器件时由于很多元器件的实际值与设计值偏差较大，所以在有些元器件上选择的是可调电位器。
不过在老师的指导和小组成员的共同努力下基本完成本次课程设计。
整体而言，通过此次设计，基本掌握了语音滤波器的一般设计方法，懂得如何利用EWB仿真软件去分析各性能参数从而验证设计电路是否符合技术指标。
同时通过实际动手制作PCB板、焊接等操作，在锻炼动手能力的同时，更能将书本上的理论知识运用到生产实践当中来，进一步深化对模拟电子技术这一课程的理性认识，为以后我们再次做类似的课程设计打下了较好的基础。
主要参考文献
[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉：
华中科技大学出版社,2006.
[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）.第五版.北京：
高等教育出版社，2006.
[3]金凤莲.模拟电子技术基础（实验及课程设计）.北京：
清华大学出版社，2009.
[4]
[5]
[6]
附录A实物图
致谢
本次课程设计得以顺利完成，要感谢的人很多。
首先要衷心地感谢我们的指导老师xxx老师，您严谨的治学态度，开阔的思维，循循善诱的指导给了我们很大的帮助。
尤其是在设计报告的修改方面，您给了我们十分清晰地修改思路，以至于我们能一步步完善我们的设计报告。
同时感谢其他给予我们帮助的老师和同学们！
正是由于各位的指导和帮助，我们才能顺利的完成此次课程设计。
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