带通滤波器课程设计.docx
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带通滤波器课程设计
目 录
前言
第一章 二阶带通滤波器的设计要求………………………………..4
1.1简介……………………………………………………………………………………...4
1.2设计任务及要求……………………………………………………………………4
第二章系统组成及工作原理……………………………..............4
2.1二阶有源低通滤波器…………………………………………………………..4
2.2二阶有源高通滤波器…………………………………………………………….7
2.3设计方案………………………………………………………………………………..8
2.3元件参数选取………………………………………………………………….......9
2.4二阶带通滤波器设计元件清单……………………………………………..10
第三章二阶带通滤波器的仿真………………………………………..10
3.1二阶有源带通滤波器仿真电路图…………………………………………10
3.2仿真结果及分析……………………………………………………..................11
3.3设计总结及心得…………………………………………………………………….13
参考文献
前 言
近几年，随着冶金、化工、纺织机构等工业使用的各种非线性用电设备，而产生的大量的高次谐波，已导致电网上网正常波形发生严重畸变，影响到供电系统的电能质量和用户用电设备的安全经济运行。
随着生产技术方式的变化，生产力确实得到较大提高，可同时也受到方方面面的限制。
如当人们做出了具体的制度设计需要付诸实践进行试验，试验过程中不可避免地会受到一些偶然随即因素的干扰，为评价新方案的效果，需排除这些随即因素的影响，即，需要一个滤波器。
经滤波以后，对新方案的效果进行检验。
说到滤波器，可分为两种：
有源和无源。
有源滤波自身就是谐波源。
其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。
有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。
一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。
这样谐波电流就不会流入系统。
无源滤波的优点为运行稳定，技术相对成熟，容量大。
缺点为谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是一定的。
我们通过自身的所学知识设计了这个二阶低通滤波器，并尽可能的调试，希望能得到较好的滤波效果。
第一章二阶带通滤波器的设计要求
1.1简介
带通滤波器是指能通过某一频率范围的频率分量、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。
这些滤波器可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。
1.2设计任务及要求
由高通滤波电路，匹配网络，低通滤波电路及其他辅助电路组成。
要求电路实现信号有各种频率到频率只剩下300Hz到3400Hz的变换。
还要求具有一定的放大能力！
1）增益AV=2.5;
2）品质因数=0.707；
3）设计选取合适的元件参数；
4）输出的信号频率范围300Hz~3400Hz
第二章系统组成及工作原理
2.1有源低通滤波电路
1.二阶有源低通滤波电路
二阶有源低通滤波电路如图。
由此可见，它是由两节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。
图2.1二阶有源低通滤波电路
同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，及A0=1+（AVF-1）R1/R1
2.传递函数
考虑到集成运放的同相输入端电压为
（2.1）
而VP（s）与VA（s）的关系为
（2.2）
对于节点A，应用KCL可得
（2.3）
将式（2.1）~（2.3）联立求解，可得电路的传递函数为
（2.4）-
令
（2.5）
（2.6）
则有
（2.7）
式（2.7）为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。
其中ωc=1/（RC）为特征角频率，也是3dB截止角频率，而Q则称为等效品质因数。
式（2.4）表明，A0=AF<3,才能稳定工作。
当A0=AF>3时,电路将自激振荡。
3.幅频响应
用s=jω代入式（2.7），可得幅频响应和相频响应表达式，分别为
（2.8）
（2.9）
式（2.8）表明，当ω=0时，|A（jω）|=AF=A0：
而当ω→∞时，
|A（jω）|→0。
这是低通滤波器的电路特性。
由式（2.8）可画出不同Q值下的幅频响应，如图2.2所示。
由图可见，当Q=0.707时，幅频响应较平坦。
图2.2图2.1所示二阶低通滤波电路的幅频响应
2.2有源高通滤波电路
1.二阶高通滤波电路
由2.1讨论已知，如果将图2.1所示二阶有源低通滤波电路中R和C的位置互换，就可得到RC高通滤波电路。
图2.3二阶有源高通滤波电路
由于二阶高通滤波电路与二阶低通滤波电路在结构上存在对称关系，它们的传递函数和幅频响应也存在对偶关系。
由图2.3可导出其传递函数为
（2.10）
式中
（2.11）
（2.12）
（2.13）
式（2.13）表明，当ω→0时，|A（jω）|→0：
而当ω→∞时，
|A（jω）|→A0。
这是高通滤波器的电路特性。
而当ω=ωc时，|A（jω）|=A0/√2,ωc是3dB截止角频率，因此在ω<ωc时，传递函数以n×20dB/十倍频程上升。
显然，这是高通滤波电路的特性。
2.3设计方案
根据要求设计一个带通频率范围为300Hz~3.4kHz的带通滤波电路，由2.1和2.2节我们选择一个二阶低通滤波电路的截止频率为fH=3.4kHz,一个高通滤波电路的截止频率fL=300Hz,有源器件采用LM324，将两个滤波电路串联就可得到低通滤波电路。
图2.4带通滤波器整体示意图
图2.5二阶带通有源滤波器原理图
2.3元件参数选取
根据fH=3.4kHz,fL=300Hz，选取C1=C2=0.062uF和C3=C4=0.0062uF和式（2.5）得
R3=R8=8.56K;R1=R2=7.55K
选取标准阻值R1=R2=7.5K;R3=R8=8.66K;
令前级和后级的品质因数都为0.707；
由式（2.6）可算得放大倍数AVF=1.586;
所以两级的放大倍数为1.586×1.586=2.5
取R5=R7=51K;由AVF=1+R4/R5和AVF=1+R6/R7可求得R4=R6=30K;
2.4二阶带通滤波器设计元件清单
序号
名称
型号
备注
数量
1
电阻
8.66K
R3,R8
2
2
电阻
7.5K
R1,R2
2
3
电阻
30K
R4,R6
2
4
电阻
51K
R5,R7
2
5
无极电容
0.062uF
C1,C2
2
6
无极电容
0.0062uF
C2,C4
2
7
运算放大器
LM324
U1A,U1B
2
二阶带通滤波器设计元件清单
第三章二阶带通滤波器的仿真
本次设计的电路仿真基于仿真软件ISIS7Professional。
3.1二阶有源带通滤波器仿真电路图:
。
图3.1二阶有源带通滤波器仿真电路图
3.2仿真结果及分析
1）：
当输入频率为300Hz，幅值为5.42mv时;
图3.2输入频率为300Hz，幅值为5.42mv时，仿真图.
从上图看出，输出电压幅值为12.5mv,放大倍数为12.5/5.42=2.3倍，
2）：
当频率为2KHz，幅值为10mv时;
图3.3输入频率为2KHz，幅值为10mv时，仿真图。
从上图看出，输出电压幅值为25mv,放大倍数为25/10=2.5倍。
3）当输入频率为4.1KHz，幅值为20mv时；
图3.4输入频率为4.1KHz，幅值为20mv时，仿真图
输出电压幅值为28mv,放大倍数为28/20=1.4倍，此时放大明显失真。
3.3设计总结及心得
这次课程设计中不仅验证了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情。
带通滤波器的课程设计，这是我大学的一个课程设计，对于我个人来说，意义重大。
通过这次课程设计，我加强了自己掌握和理解书本知识的能力，培养了自己的实际动手能力与综合设计能力，并提高了自己的技术素质。
基本达到了了解模电课程设计的任务，明确了运放的基本原则，掌握了ISIS7Professional仿真设计的基本方法。
加深了自己对电子设计的理解。
希望自己在以后的学习生活中不断加强自我学习的能力，努力完善自己。
参考文献
电子技术基础模拟部分（第五版）主编康华光
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