二阶高通滤波器的设计说明.docx
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二阶高通滤波器的设计说明
前言
滤波器技术是现代技术中不可缺少的部分。
滤波器已大量渗入现代技术中。
很难想象一个稍微复杂的电子设备不使用这样或那样的滤波器。
在现代通信和信号处理方面,电话,电报,电视,无线电等只不过是以滤波器作为它们的重要部件的一些例子而已。
滤波器是用来筛选信号的,它可以设定一定的门限值。
比如高通滤波器,它的作用就是把低于设定值的信号虑掉,只让比设定值频率高的信号才可以通过,低通滤波器的原理与高通类似。
用处非常大,它可以处理信号,虑去无用的干扰信号,使信号满足自己的需要。
目前,滤波器被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和设备中。
滤波器的应用频率范围极宽,有适用于低到零点几赫的滤波器,也有高到微波波段的滤波器。
根据滤波频率的中心频率和其他要求的不同,滤波器中采用各种谐振元件,电感、电容是最常用的谐振元件。
随着电子技术的发展,许多电路和系统都要区分不同频率的信号,从而使滤波器的设计理论日趋完善。
滤波器的种类很多,分类方法也不同。
1.从功能上分;低、带、高、带阻。
2.从实现方法上分:
FIR、IIR3.从设计方法上来分:
Chebyshev(切比雪夫),Butterworth(巴特沃斯)4.从处理信号分:
经典滤波器、现代滤波器。
第一章设计内容及要求
1.1设计任务及要求
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. 截止频率fc=100Hz
3.增益AV=5;
1.1.1基本要求:
(1)在100HZ时的波形稳定,继续调节频率是幅值会适当的增大,当到达一定值时保持稳定。
(2)调小频率到0时其幅值一直减小到0
(3) 设计电路所需的直流电源可用实验室电源。
1.1.2设计任务及目标:
(1)根据原理图分析各单元电路的功能;
(2)熟悉电路中所用到的各集成芯片的管脚及其功能;
(3)进行电路的装接、调试,直到电路能达到规定的设计要求;
(4)写出完整、详细的课程设计报告。
1.2.3主要参考器件:
UA741电容电阻
第二章系统设计方案
根据设计任务要求设计一个二阶高通滤波电路,频率高于100Hz的信号可以通过,而频率低于100Hz的信号衰减。
即Au(s)=Uo(s)/Ui(s)=1/(1+sRC)
则可采用压控电压源二阶高通滤波电路,或无限增益多路反馈高通滤波电路。
2.1方案一
采用压控电压源二阶高通滤波电路,由直流电源供给(±12V)
电路如图1所示,其传输函数为:
归一化的传输函数:
其中:
,
为品质因数。
通带增益:
截止频率:
品质因数:
2.2方案二
采用无限增益多路反馈高通滤波电路,由直流电源供给(±12V)。
电路如图2所示,该电路的传输函数为:
归一化的传输函数:
其中:
通带增益:
截止频率:
品质因数:
R1RfC3
R2
uiC1C2uouiC1C2
uo
R4R3R3R1
图2-1压控电压源二阶高通滤波器图2-2无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
第三章参数设计、原理图
3.1参数计算
1.压控二阶高通滤波器的设计
由增益Av=5,Av=1+Rf/R1,所以选R1=10K,Rf=40K欧姆的电阻,fp=100Hz,
,则选用C=0.2uf的瓷介电容,R3为5.6K欧姆的电阻,R4为20K欧姆的电阻,集成块用UA741。
2.压控二阶高通滤波器的设计
由增益Av=5,
,所以选C1=51nF,C3=10nF的瓷介电容,由
,则C2=200nF,R3=10K,R1=10K,R2=140K欧姆的电阻,集成块用UA741。
3.2总原理图
图3-1压控电源二阶高通滤波器
图3-2无限增益多路负反馈高通滤波器
第四章焊接、安装、及调试
4.1电路板的焊接和安装
工具:
电烙铁
在已做好的电路板上涂一层助焊剂,对照原理图将元件安装在电路板上,检查元件位置是否正确。
检查无误后,用电烙铁将每个元件用焊锡焊牢,保证每个元件不虚焊。
在焊元件时根据不同元件耐热性能尽量减少焊接时间。
焊接完毕后用万用表检查是否断路和短路。
4.2调试
工具:
万用表、示波器,信号发生器
按电路原理图连接好直流电源(±12V)、函数信号发生器、示波器。
调节函数信号发生器使输出信号的幅值为100mv的正弦波(即有效值为70.7mv),打开直流电源,调节好示波器后,用万用表测输出电压的有效值,再调节函数信号发生器的频率。
从100HZ起调大频率再调小到0,看是否符合要求。
第五章性能测试及实验结果分析
5.1性能测试与分析
5.1.1输出电压的测量
输入信号Ui=100mv(有效值为70.7mv),测量有效值为72mv。
改变频率测输出电压,并且在通频带时的频率要取得密集一些。
表一压控高通滤波器的数据记录
频率f/Hz
20
60
80
90
95
100
110
输出电压Uo/mv
14
130
214
227
238
253
287
频率f/Hz
200
500
800
1K
20K
50K
100K
输出电压Uo/mv
351
360
362
364
363
362
362
表二无限增益高通滤波器的数据记录
频率f/Hz
20
60
80
90
95
100
110
输出电压Uo/mv
20
126
230
234
246
272
296
频率f/Hz
200
500
800
1K
20K
50K
100K
输出电压Uo/mv
356
368
375
373
375
375
373
图5-1压控电压源二阶高通滤波器电路的幅频特性
图5-2无限增益二阶高通滤波器电路的幅频特性
5.2数据处理与误差计算
5.2.1压控的数据分析
在频率为高频时,U=(364+363+362+363)/4=363mv
输入电压Ui=72mv,则Av=U/Ui=363/72=5.04
相对误差:
s=(5.04-5)/5*100%=0.8%
当fp=100Hz时,Uo理论=360*0.707=254.5
实验测得Uo=253mv
则相对误差为S=(253-254.5)/254.5*100%=-0.6%
5.2.2增益的数据分析
在频率为高频时,U=(373+375+375+373)/4=374mv
输入电压Ui=72mv,则Av=U/Ui=374/72=5.2
相对误差:
s=(5.2-5)/5*100%=4.0%
当fp=100Hz时,Uo理论=360*0.707=254.5
实验测得Uo=272mv
则相对误差为S=(272-254.5)/254.5*100%=6.0%
5.3误差分析
产生该实验误差的主要原因有:
1、输入信号不稳定会导致实验误差。
2、实际所使用的电阻、电容与理论值的误差。
3、函数发生器的输出误差,示波器的量化误差。
4、在参数设计时也会引入误差。
5、在计算过程中会引入计算误差。
6、焊接引起的误差。
结论与心得
结论
1、由实验可知,当频率f为通带截止频率fp时,输出电压Uo约为最大输出电压的0、707倍,即︱Au︱≈0.707︱AuP︱。
2、由实验可知,高通滤波器削弱低频信号,只放大频率高于fp的信号,我们可把高通滤波器用于交流放大电路的耦合电路,隔离直流成分。
3、实验中,监测的波形没有失真,说明只要正反馈引入得到,就能在f=fo时使电压放大倍数数值增大,又不会因正反馈过强而产生自激振荡。
心得
我所做的实验相对于其他同学的实验来说,非常简单,电路也简单,焊接电路板时也比较轻松,。
虽然简单,感觉自己还有很多东西要去学习,自己课本知识不是学得很好,实验缺乏理论知识,所以,以后要加强理论知识的学习,并且电路焊接技术也有待加强。
总之,实验已经做完了,总体还是满意的。
参考文献
[1].童诗白、华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2009
[2].康华光.《模拟电子技术基础》北京:
高等教育出版社.2001年.
[3].谢自美.《电子线路设计实验测试》,华中科技大学出版社,2005年.
[4].华成英.《模拟电子技术基础》[M],北京高等教育出版社,2001.
[5]肖景和.《电子线路设计·实验·测试(第三版》)[M].武汉:
华中科技大学出出版社,2006
[6]沈精虎,《电路设计与制板》[M]》,北京人民邮电出版社,2007
附录一芯片管脚图
附录二元器件清单
元件序号(名称)
型号
主要参数
数量
备注
集成块
UA741
2个
8管脚插槽
2个
电容
100nF
8个
10nF
1个
电阻
10K
3个
20k
3个
140K
1个
6K
1个
附录三总设计图