二阶带通滤波器的设计Word下载.docx
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武汉理工大学出版社，2008.2．
[4]徐国华.电子技能实训教程.北京:
北京航空航天大学出版社，2006
[5]谢自美.电子线路设计.第三版.武汉:
华中科技大学出版社，2006
[6]童诗白.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2005
武汉理工大学出版社，2008.2．
[4]谢自美.电子线路设计.第三版.武汉:
[5]童诗白.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京：
摘要
带通滤波器（band-passfilter）是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰的设备。
一个理想滤波器应该有一个完全平坦的通带,例如在通带内没有增益或者衰减,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dB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.
除了电子学和信号处理领域之外,带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域,很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据,这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋.
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.
目录
前言·
·
5
第一章二阶带通滤波器的设计要求·
2
1.1设计任务及要求·
6
第二章电路设计原理及方案·
7
2.1二阶带通滤波器的特点·
2.2设计原理·
2.3设计方案·
8
2.3.1芯片选择·
2.3.2压控电压源电路图·
8
2.3.3无线增益多路反馈电路图·
9
第三章二阶带通滤波器详细设计·
10
3.1方案设计·
3.2参数设计·
3.3安装与调试·
12
3.4仿真数据处理·
15
3.5性能测试与分析·
16
第四章电路的焊接与调试·
17
4.1电路的安装·
4.2电路的调试·
4.21调试的仪器·
17
4.22调试过程及结果·
17
4.23电路改进·
19
4.24调试误差分析·
19
设计结论心得·
20
附录一·
21
前言
近年来，有源滤波器已成为电力系统研究领域中的热点。
在各种电力有源滤波器中，基波或谐波检测是一个重要的环节。
目前研究最为广泛的基波或者谐波检测方案，是基于瞬时无功功率理沦的谐波检测方法，这种方法要用到低通或高通滤波器，滤波器阶数越高，检测精度越高，动态过程就越长，即存在检测精度和检测实时性的矛盾。
而传统的离散傅立叶变换由于固有的一个周期延迟。
并且计算量大，被认为不能实时补偿电力系统谐波。
基于数字带通滤波器的谐波检测是一种很好的瞬时谐波检测方法，可以准确有效地从负载电流中分离出基波分量。
本文通过分析和实验证明了这种方法的可行性，并且讨论了带通滤波器的设计方法。
此系统以电工电子技术的基本理论为基础,并通过查阅手册和参考文献资料，综合运用电子技术课程中所学的理论知识,在一个团队的共同协作下完成设计的。
特别需要指出的是在本系统设计过程中得到了孙成立，胡志伟两位老师的指导，还有同学们的相互支持，特在此表示衷心的感谢！
第一章二阶带通滤波器的设计要求
1.1设计任务及要求
一、基本要求：
二、设计任务:
（1）分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；
（2）中心频率f。
=1Khz；
（3）增益Av=2；
（4）品质因素Q=10;
三、设计目标：
设计的二阶带通滤波器能通过一定频率范围内的信号源。
当输入幅度为1V、频率小于100Hz或大于8000Hz的正弦信号时，基本不能输出正弦波形，而是幅度很小且不规则的曲线。
当输入频率为中心频率周围的正弦信号时，能输出完整且稳定的波形。
即二阶带通滤波器有滤波功能。
第二章电路设计原理及方案
2.1二阶带通滤波器的特点
带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。
要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。
2.2设计原理
工作原理：
这种滤波器的作用是只允许在某一个同通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率和上限频率高的信号均加以衰减或抑制。
典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。
电路图1
2.3设计方案：
2.3.1芯片选择：
本系统用了芯片uA741芯片
uA741芯片管脚图：
1和5为偏置（调零端）2为正向输入端3为反向输入端4接地6为输出7接电源8空脚
2.3.2压控电压源电路图
2.3.3无限增益多路反馈电路图
第三章二阶带通滤波器详细设计
3.1方案设计
3.1.1、压控电压源电路
电路性能参数
中心频率
通带宽度
通带增益
品质因素
3.1.2、无限增益多路反馈电路
中心频率
品质因数Q=ω。
/B
3.2参数计算
3.2.1压控电压源电路
电路元件（Q=10）
增益1246810
R131.83115.9157.9585.3053.9793.183
R22.2512.3322.5022.6842.8763.078
R31.1671.1661.1601.1481.1311.110
R4、R54.5024.6645.0045.3685.7526.156
电阻为参数K=1时的值，单位为K
实验参数表3.2.1
当f。
=1KHz时取C=0.01uF,对应参数K=10。
查上述表中Q=10时，得到Av=2,K=1时的电阻值为：
R1=15.915KR2=2.332KR3=1.166KR4=R5=4.664K
将上述电阻值乘以参数K=10，得
R1=151.9K取标称值160KR3=11.66K取标称值12K
R2=23.32K取标称值24KR4=R5=46.64K取标称值47K
3.2.2无限增益多路反馈电路
R115.9157.9583.9792.6531.9891.592
R20.0800.0800.0810.0820.0830.084
R331.83131.83131.83131.83131.83131.831
电阻为参数K=1时的值，单位为K
实验参数表3.2.2
当f。
查上述表中Q=10时，得到Av=2,K=1时的电阻值为
R1=7.958KR2=0.080KR3=31.831K
R1=79.58K取标称值80KR2=0.80K取标称值1K
R3=318.31K取标称值320K
3.3、安装与调试（使用multisim调试）
按原理图在multisim上连好电路，通过调试后用示波器观察正弦波形，所得仿真图形为
3.3.1压控电压源电路
图3.31
图3.32
图3.33
3.3.2无限增益多路反馈电路
图3.34
图3.35
图3.36
3.4、仿真数据处理
fi/KHz
100Hz
200Hz
300Hz
400Hz
500Hz
600Hz
Vo/V
0.213
0.259
0.278
0.396
0.413
0.502
700Hz
800Hz
900Hz
1000Hz
1100Hz
1200Hz
0.642
0.998
1.236
1.596
1.951
1.552
1300Hz
1400Hz
1500Hz
1600Hz
1700Hz
1800HZ
1.442
1.214
1.015
0.935
0.784
0.531
2000Hz
2500Hz
3000Hz
3500Hz
4000Hz
4500Hz
0.442
0.284
0.261
0.204
0.168
0.121
5000Hz
6000Hz
7000Hz
8000Hz
9000Hz
10000Hz
0.098
0.064
0.049
0.041
0.028
0.017
仿真数据表3.3
3.5、性能测试与分析
焊接完成后，用万用表检查焊接无误后，接通电源。
先用示波器测出输入端信号源的大小为1.0V，观察此时波形为不失真的正弦信号。
再将所焊电路板连入电路中，调节输入信号的频率达到所计算出的中心频率1068Hz，用示波器观察输出的波形。
此时示波器显示的电压为1.6V，频率为1018Hz.波形是不失真的正弦信号。
改变输入信号的频率，使其为150Hz和3600Hz，示波器上显示的是在0V周围变化的不规则曲线。
通过计算实验的误差4.68%，是在误差的允许范围内。
造成误差的原因有多方面：
外界信号的干扰；
电阻的实际值与标称值不一致；
电路焊接不稳定；
输入信号小抗干扰性弱等等。
测试时尽量通过调节输入源的大小以及示波器使波形能呈现出最稳定而且最标准的正弦波形，在记录此时的频率即为所设计的电路的中心频率。
第四章电路的焊接与调试
4.1电路的安装：
电路安装要注意几个原则：
1.需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；
2.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；
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。
4.2电路的调试:
4.21调试的仪器
1）直流电压源；
2）信号发生器；
3）双踪示波器；
4）万用表；
4.22调试过程及结果
1）将万用表调节到电阻档，测出焊接好的电路板上的滑动变阻器阻值，并将其调节使其阻值与原理图上的组织对应。
2）按照Multisim仿真电路所示的仿真电路图3.31、图3.34，将电路板与各个调试仪器分别连接上，信号发生器的输出端与滤波电路的信号输入端相连，信号输出端、信号发生器的输出端分别与模拟示波器的两个通道相连，将直流电源与电路板上的+5V和-5V处对应相连，注意仪器与电路板的共地。
3）按照Muitisim仿真过程中输入信号参数的设定情况，设定信号发生器的信号参数，首先给带通滤波电路输入Vpp为2V，频率为1KHz的信号，调节示波器上显示的信号波形使之稳定，并在示波器上读出对应的输出信号电压并将其记录下来，按照该步骤，依次记录下当输入表一中各个频率分量时对应的输出信号的电压峰峰值。
从多次调试所得的数据中选出波形比较稳定的一组，并做成如下表格
0.16
0.245
0.269
0.384
0.402
0.498
0.564
0.984
1.254
1.942
1.542
1.436
1.204
1.001
0.921
0.761
0.521
0.423
0.251
0.196
0.157
0.105
0.079
0.058
0.042
0.031
0.026
0.007
实验数据表4.22
有上述表格可以看出，输入信号幅度不变的情况下，改变输入信号的频率，将其频率从50Hz开始增大，输出信号幅度在小于1100Hz的频率范围内随着频率的增大而逐渐增大，且在中心频率fo=1000Hz的附近变化得比较快，再大于fo的频率范围内输出信号的幅度随着频率的增大而减小。
这表明滤波器符合带通滤波器的要求。
4.23电路改进
本次课设过程中，做了两块PCB版。
第一块由于不能输出稳定的波形，且焊接不美观。
进行第二块PCB板的设计时考虑到了电路的连接问题，以及仪器的调整问题，得到了最终结果。
4.24调试误差分析
由实验数据表4.22可以分析出，实际设计的二阶带通滤波器的性能参数与理论设计的带通滤波器之间存在一定差别，原因可能在于：
1）实际元件参数本身存在一定误差，达不到理论值的要求；
2）电路元件参数容易受外界环境的影响；
3）输入信号不仅仅只包含信号发生器输出的信号，还包括外界的干扰信号；
4）测量所用的仪器（如信号发生器、示波器）由于使用时间久，存在一定的误差，导致测量结果存在一定的误差。
设计结论心得
此次模拟课程设计是对上学期模拟电路所学的理论知识进行的实际验证。
从这次试验中我学到了很多以前课堂上所没有领悟到的知识。
也因此加深了对二阶带通滤波器的认识。
在实验之前，我查阅了有关二阶带通滤波器的相关资料，对实验设计有很大的帮助。
实验时通过发现问题，仔细寻找解决的办法。
在老师和同学的帮助下解决了相关问题。
学会了对实际设计出的带通滤波器的性能进行分析，找出其存在的缺点。
由于滤波器的中心频率对电路元件（如电容，电阻）的参数十分敏感，较难设计出合适的参数，而且电路元件的参数会随外界环境的干扰发生变化，这会导致中心频率的偏移，印象滤波结果的准确性。
这次课设让我学到了很多知识，自己的动手能力得到了提高，为以后的设计性实验打下基础，进而培养在实验这一方面的兴趣。
实验注重的是过程，要在实验中善于发现问题，积极思考，查阅相关资料或询问其他人。
以后也会更大程度的提高自己的动手能力。
附录一元器件清单
元件序号
器件类型
器件型号
数量
1
芯片
TL084CN
3
LM7812CT
LM7912CT
4
三极管
2N2222A
二极管
1N4007GP
稳压管
1N4734
电磁继电器
JZC-23F
变压器
TS-PQ4-28
9
电阻
100Ω
200Ω
11
1KΩ
5KΩ
13
5.1KΩ
14
10KΩ
15
100KΩ
电解电容
0.1uF
1uF
18
10uF
100uF
2200uF
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