广工测控电路课程设计有源滤波器.docx
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广工测控电路课程设计有源滤波器
测控电路
课程设计
题目名称
有源滤波器设计
学院
信息工程学院
专业班级
测控技术与仪器专业
计算机测控方向13
（1）班
姓名
黎均
学号
3113002300
目录
摘要2
一、设计任务3
一、设计原理分析3
1、正弦波产生电路中文氏电桥振荡工作原理分析。
3
2、计算二阶带通滤波器电路中各元件的参数6
3、利用matlab绘制滤波器幅频曲线和相频曲线。
8
二、电路仿真9
三、改进后的实际电路图………………………………………………12
四、产品实物图及实验结果14
五、实验结果分析15
六、心得体会16
七、参考文献17
八、附录17
摘要
在主要学习《模拟电子技术基础》、《测控电路》与《信号分析与调节》的专业基础上，针对测控电路课程设计要求，设计正弦波波形产生电路和有源滤波器，带通滤波器，是有选择性传输特定频率范围内信号的电路称为滤波器，其功能是：
允许规定频率范围内的有用信号通过，不允许规定之外的干扰信号通过其中主要包括两个电路结构，为一个1500Hz正弦波产生电路与一个压控电压源二阶带通滤波器，其中压控电压源二阶带通滤波器设计指标要求为：
通带中心频率
Hz；通带电压放大倍数
；通带带宽
=100Hz的带通滤波器，选择有源压控电压源二阶滤波器快速设计法为设计方案，并通过有关电路知识计算出该方案所需要的电阻、电容、运算放大器参数，然后通过proteus软件仿真并焊制电路板，从而实现对所选的电路设计方案进行调试，验证方案的正确性，最后将实际设计制作出的滤波器与仿真得到的模拟滤波器进行波形比较、分析误差产生的原因。
关键字：
有源压控电压源带通滤波器文氏正弦震荡电路proteus仿真
一、设计任务
一、课程设计的内容
1、
（1）正弦波产生电路中文氏电桥振荡工作原理分析；
（2）分析正弦波产生电路中w2的作用；
（3）计算二阶带通滤波器电路中各元件的参数；
2、电路仿真
根据有缘滤波器电路工作原理，选用相应软件实现电路的仿真，并画出电路各点的信号波形，观测有源滤波器随着输入信号频率的变化，有缘滤波器输出信号的变化。
3、使用proteus绘制电路原理图，布局pcb板，使用电烙铁制作电路板，根据系统原理图及所选择的元件及参数，购买相应元器件，完成电路板焊接、调试。
二、课程设计的要求及数据
1、完成二阶带通滤波器电路的分析与制作
2、讨论与分析，制作与调试，演示与答辩，提交设计报告
三、课程设计应完成的工作
1、电路原理图设计；
2、电路工作原理设计；
3、电路参数计算与分析；
4、电路原理仿真；
5、电路制作、调试；
6、撰写设计报告；
7、实物演示与答辩。
二、设计原理分析
1、正弦波产生电路中文氏电桥振荡工作原理分析
文氏桥正弦波振荡电路能产生振荡频率调节范围宽、波形好的正弦波，广泛应用于通信系统。
文氏桥正弦波振荡由文氏电桥与一个集成运放lm384组成的同相放大电路组成，如图1所示。
文氏电桥的两个臂RC串一并联网络构成，另外两个臂由放大电路的反馈电阻构成。
令R1=R2=R，C1=C2=C，R3+R4=Rf，根据文氏桥正弦波振荡电路的振荡条件，可以推出放大电路的电压增益Av=1+Rf／R5≥3，即Rf≥2R5文氏桥正弦波振荡电路的理论振荡频率为f0=1／（2πRC）。
由于电源电压的波动、电路参数的变化、环境温度的变化等因素的影响，使正弦波的输出幅度不稳定。
这里采用二极管来稳幅和加速起振。
图1文氏电桥正弦产生电路原理图
2、RC有源带通滤波器的的工作原理
RC有源滤波总框图
RC网络反馈网络放大器原理
子框的作用
1.RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。
2.放大器的作用
电路中运用了同相输入运放，其闭环增益RVF=1+R5/R4同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。
3.反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过反馈电路影响输入端，称为反馈，其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。
带通滤波器
一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成
实际上，并不存在理想的带通滤波器。
滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。
这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。
通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。
然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。
这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。
在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值
3、计算二阶带通滤波器电路中各元件的参数
（a）相关公式
压控电压源二阶带通滤波器电路如图2所示，电路的传输函数为：
上式中：
是带通滤波器的中心角频率。
、
分别为带通
滤波器的高、低截止角频率。
中心角频率：
，
中心角频率
处的电压放大倍数：
上式中：
通带带宽：
或
;
（b）参数计算
有
，取R4和R5为47k，C1=C2=10nF,则
=2。
根据设计要求，Q=15，
=2，
=1500hz。
代入计算公式得出R1=159K，R2=7.5K,R3=15K。
（c）元器件的指标
本次实验使用的是LM358芯片
LM358双运放简介
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，应用很广。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
LM358主要特性如下：
1、内部频率补偿
2、直流电压增益高（约100dB） 3、单位增益频带宽（约1MHz） 4、
3、电源电压范围宽：
单电源（3—30V）； 双电源（±1.5一±15V）
5、低功耗电流，适合于电池供电
6、低输入偏流
7、低输入失调电压和失调电流
8、共模输入电压范围宽，包括接地
9、差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
10、输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）
3、利用matlab绘制滤波器幅频曲线和相频曲线。
根据matlab绘制的滤波器幅频曲线和相频曲线如图3所示。
图3滤波器系统幅频和相频曲线
2、电路仿真
.我们此次设计采用proteus仿真软件对电路功能进行仿真。
仿真原理图如下图4所示。
图4proteus仿真原理图
正弦震荡电路仿真
中心频率出滤波器波形
截止频率处滤波器波形
.在确定好了电路、计算出元器件，仿真正确之后，首先对电路进行整体布局，电路焊接步骤大致如下：
1.需要进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体美观；
2.遵循先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等原则；
3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；
4.最好分模块安装。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久。
焊接好实验电路后，开始进行实验调试。
仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通电源调试。
然后在电路的输入端加入正弦信号，慢慢改变输入信号的频率（注意保持输入信号的值不变）
若没有滤波特性，应检查电路，根据产生的问题，加上对原理图的分析，首先找到可能出错的地方，前期调试实验过程中发现，波形不稳定，则可能是由于芯片接的电源，因为其幅值是从截止频率起始的，波动非常大，加入足够容量的电容进行滤波后，因电容的充放电效应，该脉动直流就会变成纹波不大的直流电。
还有可能因为示波器或函数信号发生器本身的原因，此时可以用排除法，这样调试的时候可以分块检查，排除到最后就是错误所在。
若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。
对于低通和高通滤波器应观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求，应根据有关的公式，确定应调整哪一个元器件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。
此外，还需要多次上电调试，调试时应小心谨慎，检查是否有不稳定的情况发生。
在调试过程中尤其要注意电路中的虚焊，如果电路不稳定，很有可能是虚焊引起的。
三、改进后的实际电路图
1、正弦波振荡电路
我们按照上面的电路图经过第一次尝试焊接并测试后发现，出来的正弦波频率在1200-1250赫兹，分析出的误差可能由r1、r2的电阻精度导致，故选用一个可滑动的变阻Rv2（20k）代替原来的r2，调节r2使正弦波频率稳定在1500赫兹。
2、改进后的带通滤波器电路
也是经过了按照仿真电路焊接的第一次失败的尝试，发现滤波的幅值与输入波的幅值之比为1.5左右，通过分析得出r9、r10的精度有差别，后在r9、r10之间加入了一个可滑动的变阻Rv1（20k）。
四、产品实物图及实验结果
图7作品实物图
图81.5kHz正弦波产生效果图
图9滤波器效果图
四、实验结果分析
1、实验结果
.实验结果显示，正弦波振荡电路产生的正弦波频率大概为1428hz，与实际要求的1500hz相差72hz，相对误差为4.8%。
带通滤波器电路的中心频率为1388hz，接近要求的1500hz，而中心频率的增益也大约为2，符合要求。
.滤波器的中心频率
HZ时，增益可以达到2倍，
上截止频率=1417hz
下截止频率=1363hz
通带=54hz
Q实际=25
但是通带达到54左右，与实际要求偏差较大，即品质因数Q实际=25
与
相差1.7倍
2、误差分析
.由于正弦波震荡电路的用于调节频率的滑变电阻调节精度较低，因此难以调节到准确的频率。
.针对滤波器上下截至频率误差较大，主要因素是
三个电阻值在不能达到理论值，电阻值存在误差，改变增益
的R4，R5的阻值没达到完全相等，电路中的电容也会改变
五、心得体会
这次的课程设计的意义在于将理论知识应用于实践上，发现理论跟实践的区别。
我们在这次课设中遇到了很多问题，虽然早早就焊好了电路板，但是在测试的过程中却一直得不到理想的波形，检查了很多遍，从一开始的迷茫到检查出电路电源飞线接错的开心到依旧得不到理想波形，期间烧坏掉运放，节点要接的没接上，这些都改好了但是却依然不行，调试了很多遍依然不行只能进行第二次的电路焊接，有第一次的焊接经验跟错误总结第二次的焊接很顺利的进行也进行了改良，但等到滤波器调试波形时却出现了第一次的问题调不出理想波形，检查了电路连接运放连接及每个焊接点最后发现是运放少了一个短脚，换了以后终于可以了有波形出来了，在经过反复的调电阻协调终于得到理想波形，但是却又有误差一直无法避免，元件性能对电路影响非常大特别是精密仪器，稍有偏差，结果就差别很大，耐心真的很重要，经历从一只不知道什么问题到发现一个问题解决问题是真的很开心但又还是不行的失落心烦，焊接电路时的细心能避免很多问题调试的每一步都会影响到输出波形，要一步一步发现问题解决问题，这次的课设很有意义，能对自己所学有一个了解也提高我们动手能力，看着简单的电路板自己去悍就不会这么想了，团队的合作很重要，相互弥补不足共同发现问题解决问题一起进步。
六、参考文献
[1]张国雄等编.测控电路.机械工业出版社.2001.8.
[2]赵负图主编.现代传感器集成电路.人民邮电出版社.2000.1.
[3]刘征宇主编.线性放大器应用手册.福建科学技术出版社.2005.1.
[4]蔡锦福等编.运算放大器原理与应用.科学出版社.2005.7.
[5]模拟电子技术基础.童诗白主编.高等教育出版社
七、附录
元件名称
元件参数
元件名称
元件参数
R1
10K
R9
47K
RV2
20K
R10
47K
R3
10K
C1
10nF
R4
10K
C2
10nF
R5
10K
C3
10nF
R6
159K
C4
10nF
R7
15K
RV1
10K
R8
7.5K
LM358
LM358*2
表1元件参数表
发出任务书日期：
2015年12月26日
指导教师签名：
计划完成日期：
2015年12月30日
基层教学单位责任人签章：
主管院长签章：
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