带通滤波器设计模拟电子技术课程设计报告大学论文.docx
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带通滤波器设计模拟电子技术课程设计报告大学论文
模拟电子技术课程设计报告
带通滤波器设计
班级：
自动化1202
姓名：
杨益伟
学号：
120900321
日期：
2014年7月2日
信息科学与技术学院
目录
第一章设计任务及要求
1、1设计概述------------------------------------3
1、2设计任务及要求------------------------------3
第二章总体电路设计方案
2、1设计思想-----------------------------------4
2、2各功能的组成-------------------------------5
2、3总体工作过程及方案框图---------------------5
第三章单元电路设计与分析
3、1各单元电路的选择---------------------------6
3、2单元电路软件仿真---------------------------8
第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果
4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定---------9
4、2总体电路软件仿真---------------------------11
第五章电路的组构与调试
5、1使用的主要仪器、仪表-----------------------12
5、2测试的数据与波形---------------------------12
5、3组装与调试---------------------------------14
5、4调试出现的故障及解决方法-------------------14
第六章设计电路的特点及改进方向
6、1设计电路的特点及改进方向-------------------14
第七章电路元件参数列表
7、1电路元件一览表---------------------------15
第八章结束语
8、1对设计题目的结论性意见及改进的意向说明----16
8、2总结设计的收获与体会----------------------16
附图（电路仿真总图、电路图）
参考文献
第一章设计任务及要求
1、1设计概述：
带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过、其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。
在滤波器中，信号能够通过的范围称为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带，通带和阻带之间的界限称为截止频率，由于元件固有特效的限制，通带和阻带之间存在过渡带。
带通滤波器的实际设计过程中，主要参数包括中心频率f0、频率带宽BW、上限截止频率fh和下限截止频率fl。
其中，通带越窄，其选频特性越好。
1、2设计任务及要求：
（1）设计任务：
本实验将高通滤波器与低通滤波器串联来实现一个带通滤波器，通过多级反馈，减少干扰信号对滤波器的影响。
为了检测滤波电路的选频特性，设计一个带宽检测电路，通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。
（2）设计要求：
性能指标要求
1、输入信号：
有效值为1V的电压信号。
2、输出信号中心频率f0通过开关切换，分别为500hz、1khz、5khz、10khz，误差为10%。
3、带通滤波器带宽BW<=（fh-fl）,在增益符合要求的情况下带宽尽可能窄。
4、用LED发光二极管显示上、下限截止频率。
第二章总体电路设计方案
2、1设计思想：
方案一：
将一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来，即可组成一个带通滤波器，如上图。
其中低通滤波器的通带截止频率为f2，高通滤波器的通带频率为f1。
当输入信号通过低通滤波器时，f>f2的信号被滤掉；然后，再通过高通滤波器，f最后，只有频率在f1和f2之间的信号才能通过电路，从而实现了“带通滤波”的要求。
高通
低通
Ui
U0
方案二：
Ui经过高通滤波器和低通滤波器后便得到带通信号U2，U2再经过一个低通滤波器可得到低通U3。
再对原信号引入两个反馈，带通信号U2正反馈以及输出端U3引入的负反馈。
这样，输出U2即为改良后的带通信号，便到达了设计目标。
-
+
Ui（全通）
低通
U1（高通）
反馈通路
低通
高通
U2（带通）
对比分析
方案一需要注意一个问题，组成带通滤波器时，低通滤波器的通带截止频率f2必须大于高通滤波器的通带截止频率f1。
否则，如果f2方案二其内在原理基本相同，一个全通信号先减去高通，然后减去低通，剩下的就是带通。
但方案二中引入了两个反馈，当频率接近通带截频率但小于时，从输出端引回的反馈信号将增强输入信号的作用，因此，幅频特性在接近通带截止频率时将得到补偿而不会很快下降。
总的来说，方案二在通带截止频率的附近得到较好的改善。
而且加入带通信号的正反馈，使其滤波功能更加接近切比雪夫滤波器，其在过渡带衰减快，和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。
总之，方案二比方案一更加完善，误差也更小，同时也考虑到实验器材的选取条件，因此本课题设计采用方案二。
2、2各功能组成
主体电路功能：
当以U2为输出端时，主体电路相当于一个带通滤波器电路，原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。
原信号引入的两条反馈即可增强输入信号的作用，也可改善截止频率附近的滤波功能。
线性检波滤波电路功能：
输入的正弦信号Ui和U2首先经过检波电路转换为全波，再经过滤波转化为直流量
比较显示电路功能：
原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui’,U2’通过比较器进行比较，集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。
Ui’接比较器正端，U2’接比较器负端，当Ui’>U2’时，二极管发光，二者相等时，灯闪烁，U2’>Ui’时，灯不亮。
2、3总体工作过程及方案框图
总体工作过程：
当以U2为输出端时，主体电路相当于一个带通滤波器电路，原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。
原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui’,U2’通过比较器进行比较，集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。
Ui’接比较器正端，U2’接比较器负端。
当Ui’>U2’时，二极管发光，二者相等时，灯闪烁，U2’>Ui’时，灯不亮。
低通
-
+
反馈通路
U1（高通）
低通
高通
Ui（原信号）
方案总体框图：
U2（带通）
线性检波滤波电路
比较显示电路
线性检波滤波电路
第三章单元电路设计与分析
3、1各单元电路的选择
低通滤波器：
积分运算电路具有低通特性，上图是反相输入一阶低通滤波电路。
现在分析其电路特性：
因为，通常，在分析运算电路时均设集成运放为理想运放，因而其两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零，即具有“虚短路”和“虚断路”两个特点。
所以，Up=Un=0；经过电阻R和电容C的电流相等。
得
然后S用jw代入，得到：
上限截止频率
高通滤波器：
线性检波电路：
Un
Ui’
U0
Ui
当输入Ui为正时，经过反相器反相，Uo’<0,而Un=0，因此二极管D1导通，D2不导通，Uo’=-0.7V。
Uo被两个10K的电阻分压，
；当输入Ui为负时，经过反相器反相，Uo’>0，故D1不导通，D2导通，
，由于虚地点，Un=0，所以
。
综上所述，输入信号Ui经过绝对值电路后，输出Uo都为正值，且为输入的一半，即
。
3、2单元电路软件仿真
低通滤波器幅频特性曲线：
检波电路波形曲线：
检波滤波电路曲线：
第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果
4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定
总体电路工作原理图：
上半部分为主体电路，下半部分的左右部分均为线性检波滤波电路，右下角为比较显示电路
元件参数的确定：
首先对主体电路进行分析
按照原理框图的设计思想，具体电路布置如上。
第一个运算放大器是反馈端，后面两个运算放大器电路构成两个低通滤波电路。
输入为Ui，，y1，y2，y3分别为高通，带通，低通输出。
所以y2是此次课题设计的带通滤波器的输出端。
由于课题设计带通滤波器的输出中心频率可变（用开关切换），即有500HZ，1KHz，5KHz，10KHz四种，因此反相一阶低通滤波电路的电容，电阻要适当取值。
为保证带通滤波电路的输出中心频率的稳定，两个低通滤波电路的电容，电阻取值相同。
我们研究的是带通滤波电路，因此要得到电压放大倍数，即U2/UI
根据理想运算放大器的虚短，虚断特性可以得到：
设
联立上式得传递函数：
然后用jw代替s：
中心频率
从式①中可以看出，当虚部为0时，即电压放大倍数为1，得到
又
，化简得中心频率
根据中心频率公式
，分别算出500HZ，1KHz，5KHz，10KHzsi四种频率时的电阻值，
（这里我们电容C取0.01uf）
500HZ时，R1=31.82K
1KHz时，R2=15.92K
5KHz时，R2=3.182K
10KHz时，R3=1.592K
4、2总体电路软件仿真
信号频率为中心频率时对U2进行波形仿真：
带通滤波器的幅频特性曲线：
UI、U2经过检波滤波电路变为直流量UI’,U2’
第五章电路的组构与调试
5、1使用的主要仪器、仪表
仪器
用途
函数信号发生器
信号源
直流稳压电源
供电
示波器
观察波形
交流毫伏表
测量交流电压
万用表
测量电阻
5、2测试的数据与波形
测量数据：
中心频率f0（KHz）
R（
）
C（uf）
f上（Hz）
f下（Hz）
带宽BW（KHz）
理论值
0.5
31.83K
0.01
310
810
0.5
1
15．92K
1.62K
0.62K
1.00
5
3.183K
8.10K
3.09K
5.01
10
1.592K
16.20K
6.20K
10.00
实验值
0.47
32K
321
770
0.45
1.048
16K
1.54K
0.64K
0.9
4.8
2.95K
9.2K
3.4K
5.8
9.52
1.49K
18.1K
6.4K
11.7K
测量波形：
以中心频率为500hz为例
信号源频率为500hz时
信号源频率为仿真下限频率306hz
信号频率为仿真上限频率840hz
5、3组装与调试
确定好各元件参数后，获得自己需要的元器件，开始组装。
调试过程：
主体电路组装完成后，用函数信号发生器作为信号源，频率选择中心频率，观察U2波形与原信号波形是否反相，如反相则主体电路正常工作。
线性检波滤波电路组装完成后，用函数信号发生器作为信号源，断开电容，看其输出端是否为全波，接上电解电容观察全波是否被滤成直流量，如果正常，则线性检波滤波电路工作正常
比较显示电路，观察比较器两端电压变化时，灯是否能正常亮灭，如正常，则比较显示电路工作正常
5、4调试出现的故障及解决方法
故障一：
U2波形出部分失真
解决办法：
经过仔细观察，发现一处接触不良，换下原来电阻后重新连接，波形恢复正常。
故障二：
信号源频率改变，LED指示灯仍一直长亮不灭
解决办法：
用示波器两通道分别观察比较器两端电压，发现比较器正
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