光电子线路课程设计.docx
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光电子线路课程设计
光电子线路课程设计
———模拟滤波器设计
学号：
姓名：
指导：
时间：
2011年9月5日
目录
1.引言………………………………………………………03
2.正文………………………………………………………03
2.1.设计要求………………………………………03
2.2.设计过程………………………………………04
2.2.1.手工计算设计……………………………04
2.2.2.计算机仿真………………………………05
2.2.3.实际连接与调试…………………………06
2.2.4.带通滤波器设计过程……………………07
2.3.设计结果分析与反思……………………………11
3.结论……………………………………………………………11
4.致谢……………………………………………………………11
5.参考资料……………………………………………………11
光电子线路课程设计
——模拟滤波器设计
（南京理工大学）
摘要：
本文详细介绍了一种二阶有源模拟滤波器的设计过程和调试方法。
给定设计参数，依照所给的电阻电容数值，合理选取电路元件和滤波器结构，以满足设计要求。
其设计过程分为三个部分，首先进行手工计算选取合适的元件值，初步满足设计要求；然后在计算机平台上利用Multisim软件进行仿真测试，获得设计电路的频响特性，并与手工计算结果进行比较，观察差异并分析原因；最后实际搭建电路，测量电路的频响特性并适当调整元件参数值，以满足设计要求，并与计算和仿真结果相比较，观察差异并分析原因。
关键词：
模拟滤波；二阶有源；频响特性；低通带通；仿真
1、引言
光电信号大多是微弱的电信号，而噪声信号一般都较大。
同时，在信号的处理、放大、传输及光电探测器本身等各个环节中，也很容易引进干扰信号。
在严重情况下，这些干扰信号会淹没有用信号，以致无法测量。
在这种情况下，除了采取有效的抗干扰措施之外，采用信号滤波技术是提高信噪比（S/N）行之有效的方法。
2、正文
2.1设计要求
利用以下所提供的元器件，设计一个二阶有源模拟滤波器。
对于低通滤波器，要求其上限截止频率f为1kHz，且增益尽量为2倍。
若是高通滤波器，则其下限截止频率f为500Hz。
对于带通滤波器，要求中心频率f为1kHz，带宽△f≤50Hz，尽可能使上升沿下降沿对称，增益尽量为为2倍。
电阻：
475675300330430470510（Ω）
11.534.75.17.510111520
3343475168180300470（kΩ）
电容：
0.0010.010.110.00220.0220.220.0150.0330.330.0470.474.710224733100220（μF）
51006800（pF）
741集成运算放大器一片、面包板一块、导线若干
仪器仪表：
数字万用表一块、示波器一台、信号发生器一台、稳压电源一台
2.2设计过程
2.2.1手工计算设计
对于低通滤波，可利用运放组成有限增益可控的有源二阶低通滤波器。
其电路结构如图2.1所示。
图2.1有限增益二阶低通滤波器电路图
为计算简便，设R1=R2=R，C1=C2=C，利用节点电流法，有：
（公式2.1）
可得其传递函数为
（公式2.2）
对比两式可得
（公式2.3）
当
时，取R=330Ω，C=0.47μF，可满足要求，其实际截止频率f=1026.1Hz，取R3=R4=10kΩ，则增益H0为2倍。
2.2.2计算机仿真
将2.2.1中得到的元件数值和电路在Multisim中进行仿真。
其电路图如图2.2。
图2.2各元件参数及仿真电路
对电路进行交流分析（ACAnalysis），获得其频响特性曲线如下：
图2.3仿真低通频响曲线
由图2.3可知最大输出电压为10V，已知输入电压设为5V，所以增益满足H=2倍。
同时，在10／1.414处，对应的频率f=1.27kHz，还是存在较大偏离。
从曲线可以观察到从200到1kHz之间，输出幅值有一个上升的小坡，其影响到实际的输出值。
若取输出最大幅值而非100Hz处幅值，则截止频率将会更接近1kHz。
另外还可观察到，当频率超过10kHz之后，滤波器阻带抑制特性将会变差。
2.2.3实际连接与调试
将上文所设计的电路在面包板上连接好，检查无误后接通电源，集成运放采用±12V供电。
调整信号发生器的输出频率，观察示波器的波形并记录输出电压。
当R1=R2=330Ω时，取100Hz时电压为峰值电压，得截止频率为1300Hz，确实偏离过大，但与仿真吻合的较好。
根据公式2.3可知，可以适当增大R1和R2的值，来减小截止频率的值。
当R=（330+27）Ω时，截止频率为1150Hz，当R=（330+56+27）Ω时，截止频率为1042Hz，误差为4%，满足设计要求。
当R=413Ω，输入信号电压为3V时，改变输入信号频率，记录输出电压如下：
表2.1低通频响输出电压
测量序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
信号频率（Hz）
20
40
80
100
150
250
350
500
700
800
输出电压（V）
5.64
5.88
6.10
6.11
6.20
6.20
6.40
6.92
6.92
6.36
测量序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
信号频率（Hz）
850
870
900
925
950
980
990
1000
1042
1100
输出电压（V）
5.92
5.80
5.60
5.28
5.08
4.84
4.76
4.72
4.32
3.92
测量序号
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
信号频率（kHz）
1.3
1.5
2
2.5
3.5
6
10
20
50
100
输出电压（V）
2.84
2.12
1.20
0.644
0.320
0.116
0.044
0.022
0.046
0.092
根据记录的频响输出电压数据，作出其频响曲线如下：
图2.4实测低通频响曲线
观察曲线可知其输出满足低通特性，且当f=100Hz时，Vpp=6.20V，增益为2倍左右，当Vo=4.32V时，f=1042Hz，即为截止频率。
同时还可以观察到在通带部分有一个小的起伏，并不是很平坦，这也是需要进一步改进的地方，可以通过增大系统的阻尼系数来实现。
此外，在超过20kHz之后，可以通过数据表格看出其阻带抑制能力下降，输出波形幅度上升。
2.2.4带通滤波器设计过程
图2.5带通滤波器电路图
带通滤波器采用图2.5所示连接方式。
由其节点电压方程可求得其传递函数为：
（公式2.4）
为简化设计，取C1=C2=C，R1>>R2，上式经化简成为标准形式：
（公式2.5）
其中
（公式2.6）
根据设计要求，f=1000Hz，BW=Δf=50Hz，且增益H0=2倍，代入公式2.6进行计算，并依据所给的元件值，最终可选：
C=0.1μFR1=7.5kΩR2=75ΩR3=（10+10+10）kΩ
根据以上参数得到仿真电路如下：
图2.6带通仿真电路
在Multisim11.0中选取相应参数元件，连接好电路，采用交流分析（ACAnalysis），获得带通电路的频响曲线如下图。
图2.7仿真带通频响特性曲线
由仿真结果可知，当f=1000Hz时，滤波器输出最大值Vo=6.775V，以0.707Vo作为截止频率电压值，可得上下限截止频率分别为f1=942.5Hz，f2=1090Hz，基本在设计范围之内。
在面包板上搭建以上参数的电路，步骤同低通滤波器设计。
改变信号发生器的输出频率，在示波器上观测输出信号的波形和幅度，并记录成表。
表2.2带通频响输出电压
测量序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
信号频率（Hz）
200
300
400
500
600
700
750
800
850
900
输出电压（V）
0.128
0.182
0.268
0.360
0.500
0.708
0.920
1.28
1.60
2.28
测量序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
信号频率（Hz）
910
925
940
950
970
980
990
1000
1020
1050
输出电压（V）
2.36
2.48
3.04
3.08
3.36
3.40
3.44
3.32
3.20
2.72
测量序号
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
信号频率（Hz）
1080
1100
1200
1400
1500
2000
5000
输出电压（V）
2.50
2.24
1.36
0.800
0.688
0.400
0.124
依据以上数据表格，描点作出实际频响曲线如下：
图2.8带通实测频响曲线
从数据记录表格可以看出，当取f=990Hz，对应最大电压为Vo=3.44V，以0.707Vo作为截止电压，可查得上下截止频率分别为f1=925Hz，f2=1060Hz，除了范围略大些之外，对称性还是比较好，但增益只有1.15，主要就是由于是窄带滤波器，其高通和低通衰减相互叠加，致使通带部分衰减较大。
根据实际测量结果，可知其基本满足设计要求，但仍有不足之处。
可以通过调整电路元件的参数来进行修正。
根据公式2.6，减小R2的阻值，将会使Q值增大，衰减加快，从而缩小滤波器的通带带宽BW。
在减小R2阻值的同时，适当调整R3的阻值，可以使中心频率f接近1000Hz。
此外，减小R1的阻值，可以使增益H增大，不断调整并直至H为2倍即可。
所以，在实际电路中按照以上原则，不断进行测试和调整，就可以达到所要求的设计参数。
不过，由于当时的客观条件限制，我没有进行这一步的操作，请老师见谅！
2.3设计结果分析与反思
Ø观察设计过程，可以发现计算结果与仿真结果会有一定的偏差，但是差别不算太大，主要是由于手工计算的一些近似以及仿真时采用实际元件模型引入误差，导致略微的偏差；
Ø相对而言，实际电路测试结果则与计算仿真结果相差较大。
主要是由于元器件实际值与标称值的差异较大。
当时选用的1kΩ电阻，用万用表测量，其实际值只有960Ω。
其次，电路连接方式、环境因素以及仪器仪表等都会造成误差；
Ø观察仿真频响曲线和实测频响曲线，都可以发现，当f>10kHz时，其阻带抑制能力下降，输出幅度开始呈上升趋势。
这是由于采用了集成运放等元件，其工作频率范围一般都要求小于1MHz，否则会造成电路特性变坏。
因此，对于有源滤波器，其一般使用场合是中低频段，至于高频段，则一般使用无源滤波器；
Ø在实际搭建电路过程中，有一些问题需要引起注意。
对于集成运放芯片，要分清引脚关系，顺序不可弄反。
其供电采用正负12V电压，要注意稳压电源的连接方式。
此外，信号发生器的输出电压要调整合适（一般为3V），否则输出波形在示波器上会发生失真；
3、结论
通过本次光电子线路课程设计，即模拟滤波器设计，我掌握了滤波器设计的
基本原理和设计方法，通过理论计算、计算机仿真以及实际电路的搭建，并加以调试过程，达到了较为理想的设计结果。
4、致谢
感谢在此设计过程中给予我悉心指导的老师和热情帮助的同学！
5、参考资料
【1】何兆湘.光电信号处理.华中科技大学出版社.2008
【2】ArthurB.Williams.电子滤波器设计.科学出版社.2008
【3】付文红.EDA技术与实验.机械工业出版社.2007
【4】徐天成.信号与系统.电子工业出版社.2008
【5】林德杰.电器检测技术.机械工业出版社.2009
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