高频课设报告老师修改.docx
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高频课设报告老师修改
《高频电子线路》
课程设计报告
设计题目：
有源高阶带通滤波器设计与调试
院系：
航海学院
班级：
03040901/03040902
姓名：
指导教师：
2012年12月20日
西北工业大学课程设计任务书
姓名：
刘华锋、朱泽安、曹宇、代耀辉、朱昆涛
院系：
航海学院
班号：
03040901、03040902
专业：
电子信息工程
任务起止日期：
2012年12月05日止2011年12月16日
课程设计题目：
有源高阶带通滤波器设计与调试
课程设计要求：
1．查阅资料，画出电路原理框图，详细的电路原理图。
2．元器件的采购清单，安装，调试，记录测试结果。
3．测量高通、低通、的截止频率，带通，带阻的带宽。
4．测量二阶，四阶，数据进行比较。
5．根据测量结果，画出幅频特性图。
完成工作描述：
1.查阅各种资料，完成电路原理的学习并进行参数的设置。
2.使用Multisim画出电路的原理图并进行仿真，并对仿真结果进行记录。
3.领取器件，完成电路板的焊接并进行调试。
4.在100~4000Hz下测试二阶、四阶滤波器性能，获取幅度—频率参数，并测量截止频率。
5.使用Matlab画出归一化幅频响应曲线，并对离散数据进行拟合，在拟合曲线上获取截止频率，并将数据与仿真与实验结果进行对比。
工作计划及安排：
第一周，查阅搜集资料，画出电路原理图，元器件的采购，电路的安装。
第二周，电路的调试，测试，写出课程设计报告。
指导教师签字：
年月日
目录
1.课程设计的目的4
2.课程设计题目和要求4
2.1课程设计题目4
2.2课程设计的要求4
3.有源带通滤波器的设计与仿真4
3.1 滤波器的结构和分类4
3.2二阶带通滤波器的设计5
4．电路的调试及实验数据的测试13
4.1所用仪器及器件13
4.2测试步骤及内容13
4.3实验数据记录14
5．实验数据分析17
5.1输入输出相位误差17
5.3滤波器参数18
5.4实验结果分析18
6.课程设计总结19
6.1设计过程中遇到的问题及解决方法19
6.2设计体会19
6.3对课程设计的建议19
参考书目：
19
（摘要，关键词）
1.课程设计的目的
1.帮助学生综合运用所学的理论知识，把一些单元电路有机地组合起来，组成小的系统，使学生建立系统的概念；并使学生巩固和加强已学理论知识。
并掌握一般电子电路分析和设计的基本步骤。
2.培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。
对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径；对调试中出现的故障，能通过独立分析，找到故障发生原因及排除办法。
3.通过课程设计培养学生树立经济观点、全局观点，培养学生实事求是的科学态度和一丝不苟的严谨作风。
2.课程设计题目和要求
2.1课程设计题目
题目：
有源高阶带通滤波器设计与调试
2.2课程设计的要求
1．查阅资料，画出电路原理框图，详细的电路原理图。
2．元器件的采购清单，安装，调试，记录测试结果。
3．测量高通、低通、的截止频率，带通，带阻的带宽。
4．测量二阶，四阶，数据进行比较。
5．根据测量结果，画出幅频特性图。
3.有源带通滤波器的设计与仿真
滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过。
而同时抑制（或衰减）不需要传送频率范围内的信号。
实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。
3.1 滤波器的结构和分类
以往滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。
此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
通常用频率响应来描述滤波器的特性。
对于滤波器的幅频响应，常把能够通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。
按照通带和阻带的位置分布，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
3.2二阶带通滤波器的设计
3.2.1原理分析
二阶有源模拟带通滤波器电路，如图3-1所示。
图中R1、C2组成低通网络，R3、C1组成高通网络，A、Ra、Rb组成了同相比例放大电路，三者共同组成了具有放大作用的二阶有源模拟带通滤波器，以下均简称为二阶带通滤波器。
由图1可得带通滤波器的传递函数为
式（5）为二阶带通滤波器传递函数的典型表达式，其中
称为中心角频率。
令
s=jw，代入式（4），可得带通滤波器的频率响应特性为
由此可画出其幅频响应曲线，如图3-2所示。
图中，当
时，电压放大倍数最大。
带通滤波器的通频带宽度为
，显然Q值越高，则通频带越窄。
3.2.2参数设计
设计参数为：
代入以上公式可得：
同频带为：
3.2.3Multisim仿真电路图
使用NIMulitsim11.0对电路进行仿真，仿真电路图3-3所示：
图3-3有源高阶带通滤波器电路原理图
电路图分为两部分：
1.二阶有源滤波电路如图3-4所示：
图3-4………………………..
二阶滤波部分与原理图相似，四阶滤波电路是由两个二阶滤波电路串接而成，中间采取分压，防止电压过高，运放输出波形失真。
2.分压电路?
?
?
?
?
?
/
分压电路采用电阻分压形式，将第一级输出的电压分为一半，抵消运放的二倍放大作用，这样，四阶滤波器的输出与二阶滤波器的输出均是输入电压的二倍，便于比较二阶和四阶的滤波性能。
3.2.4仿真结果
仿真输入信号形式：
二阶滤波器的波特图：
二阶滤波器的输出：
四阶滤波器的输出：
四阶滤波器的波特图：
当输入信号频率变为100Hz时，二阶和四阶的滤波器输出如下
二阶输出：
四阶输出：
当输入信号频率为10000Hz时，二阶和四阶的滤波器输出如下
二阶输出
四阶输出
由以上仿真结果可看出，当信号频率在100Hz和10000Hz时滤波器的滤波作用明显，且四阶比二阶的性能要好许多。
4．电路的调试及实验数据的测试
4.1所用仪器及器件
所用器件如下表?
?
?
?
器件
数量
器件
数量
8个
两个
两个
运放OP27
1个
两个
所用仪器如下表?
?
/
仪器
数量
仪器
数量
示波器
一台
信号发生器
一台
稳压电源
一台
万用表
一个
电烙铁
一把
导线
若干
4.2测试步骤及内容
1.将信号发生器的波形设置为正弦波，幅度为5Vpp，频率为1000Hz。
2.将信号发生器的输出直接接入示波器，观察波形，并将示波器的增益调节为X1、若不出现波形或波形失真，则更换探笔。
3.接通电源，使用万用表测试芯片座上对应的电压测试点，设置供电电压为12V，防止放大后波形产生失真，若电压正常，将芯片插入进行实验。
4.将信号发生器的频率设置为100Hz，在滤波器输入端输入信号，并将示波器接在二阶滤波器测试点上进行测试。
5.将信号源从100Hz到4000Hz的范围内测量输出的响应幅度，步进值为100Hz，记录实验数据。
6.观察实验数据，找出最大值，然后在100到4000Hz内搜索截止频率，记录实验数据。
7.将示波器接入四阶滤波器测试点进行测试，重复4、5的测试方法并记录实验数据。
下图为实验板:
4.3实验数据记录
4.3.1二阶滤波器的幅频特性
频率/Hz
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
幅度/Vpp
0.936
1.92
2.98
4.28
5.76
7.48
9.2
10.1
10.1
9.52
频率/Hz
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
幅度/Vpp
8.88
8.16
7.44
6.96
6.32
5.88
5.52
5.16
4.88
4.60
频率/Hz
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
幅度/Vpp
4.40
4.16
4.00
3.80
3.64
3.48
3.36
3.24
3.12
3.06
频率/Hz
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
4000
幅度/Vpp
2.96
2.88
2.78
2.70
2.62
2.56
2.50
2.42
2.44
2.38
4.3.2四阶滤波器的幅频特性
频率/Hz
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
幅度/Vpp
0.128
0.416
0.912
1.76
3.18
5.32
7.92
9.52
9.60
8.56
频率/Hz
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
幅度/Vpp
7.28
6.16
5.20
4.40
3.76
3.20
2.80
2.48
2.12
1.92
频率/Hz
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
幅度/Vpp
1.72
1.56
1.42
1.32
1.20
1.10
1.02
0.952
0.880
0.848
频率/Hz
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
4000
幅度/Vpp
0.768
0.712
0.668
0.640
0.596
0.588
0.552
0.504
0.484
0.453
4.3.3滤波器参数
测试所得的滤波器参数如下
二阶滤波器
四阶滤波器
截止频率
/Hz
582
659
截止频率
/Hz
1325
1140
带宽/Hz
743
481
4.3.4滤波器输出波形
二阶（1000Hz）
四阶（1000Hz）
二阶（100Hz、1000Hz）
四阶（100Hz、1000Hz）
5．实验数据分析
5.1输入输出相位误差
由以上实验输出波形图可以看出，二阶滤波器基本相位基本没有移动，而四阶滤波器的相位发生变化。
5.2滤波器幅频响应
使用Matlab将滤波器幅频响应画出，并将二阶和四阶进行对比
由幅频响应曲线可得，四阶滤波器较二阶滤波器来说，通带带宽更窄，阻带效果明显，整体性能比较优越。
5.3滤波器参数
将幅频响应进行曲线拟合，在拟合的曲线上找出半功率点，并找出中心频率。
所得结果如下
二阶滤波器
四阶滤波器
实际
拟合
实际
拟合
截止频率
/Hz
582
563
659
652
截止频率
/Hz
1325
1366
1140
1199
带宽/Hz
743
803
481
547
中心频率/Hz
913
922
936
943
5.4实验结果分析
由幅频响应曲线级上表可知，相对于所设计的参数，中心频率移动不大，但带宽指标未能达到，所实现的带宽比设计带宽窄。
6.课程设计总结
6.1设计过程中遇到的问题及解决方法
在本次课程设计中，刚开始遇到的问题就是参数的设计，虽然原理比较明白，但是要自己动手设计一个电路出来就有了很大的问题。
后面翻了很多书，最终结合水声应用背景，将滤波器的中心频率定位1KHz，然后进而设计了带宽及截止频率。
在调试阶段，一开始就遇到了产生不了波形，信号在通过高通滤波器后消失，后面经过一步步的排查电路结构后发现所使用的芯片未能达到指标要求，在更换了芯片以后滤波器正常工作，随后进行了各种实验。
6.2设计体会
通过本次课程设计，我们学会了运用所学的理论知识，把一些单元电路有机地组合起来，组成小的系统，建立了系统的概念、掌握了一般电子电路分析和设计。
通过查阅相关资料培养了独立分析和解决问题的能力，锻炼了我们的整体素质，培养了我们的实事求是的做事风格和一丝不苟的严谨作风。
通过本次课程设计，我们不仅在知识上成长了很多，并且，对科学研究也有了一定的认识。
6.3对课程设计的建议
希望能定期检修和维护实验室的设备，实验过程中我们发现了不少的示波器探笔不能用，部分稳压电源也出现问题。
参考书目：
[1]谢嘉奎，电子线路:
非线性部分（第4版），高等教育出版社，北京，2008年12月
[2]谭博学、苗汇静，集成电路原理及应用（第2版），电子工业出版社，北京，2008年1月
[3]张浩风，模拟电路分析计算与应用设计，化学工业出版社，北京，2012年9月
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