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1、课 程 设 计 设计题目RC高通有源滤波器 学号 专业班级 学生姓名 指导教师 设计类型 信号与系统课程设计 设 计 题目 RC高通有源滤波器成绩 课 程 设 计 主 要 内 容 设计制作一个增益可调 截止频率C 3000Hz的 RC有源高通 滤波器 阅读教材第十章第八节 理解RC有源滤波器 查阅有关 RC有源滤波器设计的相关资料 确定设计方案和元件数 值 用 Multisim 模拟所得滤波器的频响特性 运放选用NE5532 由于实验室只能提供特定的的元件数值 按照能获得的元件数值 对电路进行修正和模拟 获得最符合要求的电路元件参数 按获得的电路及元件参数 用面包板焊接好滤波器 连接信号发 生
2、器 示波器 测试电路的频响 分析实验结果 测试结果与模拟结果的差异及其原因及可能的改 进方法 撰写课程设计报告 指 导 教 师 评 语 建议 从学生的工作态度 工作量 设计 论文 的创造性 学术性 实用性及书面表达能力等方面给出评价 签名 200 年月日 课程设计题目 设计制作一个增益可调 截止频率 3000Hz的 RC有源高通滤波 器 要求如下 阅读教材第十章第八节 理解RC有源滤波器 查阅有关 RC有源滤波器设计的相关资料 确定设计方案和元件数值 用 Multisim 模拟所得滤波器的频响特性 运放选用NE5532 由于实验室只能提供特定的的元件数值 按照能获得的元件数值对电路进行修正 和
3、模拟 获得最符合要求的电路元件参数 按获得的电路及元件参数 用面包板焊接好滤波器 连接信号发生器 示波器 测试电路的频响 分析实验结果 测试结果与模拟结果的差异及其原因及可能的改进方法 撰写课程设计报告 二 课程设计目的 理解 RC有源滤波器 学习RC有源滤波器的设计方法 由滤波器设计指标计算 电路元件参数 掌握应用 Multisim 软件 掌握常用元器件的识别和测试 测量有源滤波器的幅频特性 熟悉常用仪表 了解电路调试的基本方法 提高运用所学知识分析和解决实际问 题的能力 体会课程设计的过程 通过理论联系实际 提高和培养创新能力 提高实践能力 为后续课程的学习 毕业设计 毕业后的工作打下基础
4、 课程设计环境 Multisim 介绍 Multisim 是 Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真 和设计的软件 目前在电路分析 仿真与设计等应用中较为广泛 该软件以图形 界面为主 采用菜单栏 工具栏和热键相结合的方式 具有一般Windows 应用 软件的界面风格 用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用 尤其是多种可 放置到设计电路中的虚拟仪表 使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工 作习惯 下面主要针对软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍 EDA就是 Electronic Design Automation 的缩写技术已经在电子设
5、计领域得到广 泛应用 发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计 一台电子产品的 设计过程 从概念的确立 到包括电路原理 PCB版图 单片机程序 机内结构 FPGA的构建及仿真 外观界面 热稳定分析 电磁兼容分析在内的物理级设计 再到 PCB钻孔图 自动贴片 焊膏漏印 元器件清单 总装配图等生产所需资料 等等全部在计算机上完成 EDA已经成为集成电路 印制电路板 电子整机系统 设计的主要技术手段 功能 直观的图形界面 丰富的元器件 强大的仿真能力 丰富的测试仪器 完备的分析手段 独特的射频 RF 模块 强大的 MCU模块 四 课程设计内容 方案比较及工作原理 方案一 压控电压源二阶高通滤波
6、器 压控电压源二阶有源高通滤波器电路原理如图1 所示 运算放大器为同相接法 滤波器的输入阻抗很高 输出阻抗很低 滤波器相当于一个电压源 其优点是 电路性能稳定 增益容易调节 图 1 压控电压源二阶高通滤波器 其传输函数为 2 2 u 31 ss sRCsRCA sRC AA up up 通带放大倍数 1 up1 R R A f 令 R1 R2 R C1 C2 C 截止频率 RC fp 2 1 品质因数 up 3 1 A Q 方案二 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器如图2 所示 运算放大器为反相接法 由于 放大器的开环增益无限大 反相输入端可视为虚地 输出端通过
7、电容和电阻形成 两条反馈支路 其优点是 输出电压与输入电压的相位相反 元件较少 但增益 调节不方便 图 2 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 该电路的传输函数为 3221 2 321 32 2 3221 2 u 1 ss CCRRsCCC CC R s CCRRs AA up 通带放大倍数 3 1 C C up A 截止频率 3221 2 1 CCRR fp 品质因数 232 1 321 RCC R CCCQ 方案选择 压控电压源二阶高通滤波器的增益容易调节 而无限增益多路负反馈二阶高 通滤波器尽管元件较少 但增益调节不变 根据题目要求 我们选择方案一 另 外 我们在方案一的基础上又实现了三阶
8、 四阶 差分形式的高通有源滤波器 实现性能提高 设计分析 图 3 原理图 RC高通有源滤波器的截止频率C 3000Hz 根据截止频率公式 RC fp 2 1 根据实验室提供的元器件 令C 10nF 计算得到 R 根据实验室提供的电阻 令 R 此时得到的截止频率大约为 z3003 10101023 32 1 2 1 9 3 H RC fp 假定 R1 Rf 20k 可以通过调节 R1和 Rf的值 来调节增益 此时其通带放大倍 数 2 20k 20k 11 1 up R R A f 品质因数 1 2 3 1 3 1 up A Q 传输函数 248 2 2 9 9 2 9 u 1089 11055
9、3 2 1010530010105300231 10105300 2s ss s ss s A 模拟仿真 Multisim 仿真电路图如图4 所示 图仿真二阶高通有源滤波器 波特图示仪 XBP1显示波形如图5 所示 幅度增益在小于3000Hz 时逐渐减小 在大于 3000Hz时 幅度增益基本保持不变 图 5 二阶 RC高通有源滤波器的幅频特性 实物制作 由于在设计时已经考 虑到实 际 电阻电 容参数的值 直接 制作即可 其中 R 2k R使用 2k 电阻和 3k 电阻串联而成 焊接实物图如图6 所示 图 6 焊接实物图 元器件清单 元件名称规格及用途数量 NJM5532DD双运放 直插 DIP
10、 81 电容10nF2 电阻20k 2 电阻2k 2 电阻 3 万用板5 7cm 线路板 洞洞板1 测试 电路焊接好后 需要函数发生器 示波器 万用表各一个 一个能产生 12V 12V 的直流稳压并联接地电源 函数发生器产生0 至 10KHz 幅值为 1V 的信号 直 流稳压电源的 5V接 5532DD JRC 的 8 引脚 12V接 4 引脚 示波器 CH1连接电 路的输入端 CH2连接电路的输出端 调节输入信号的频率从1 变化至 10KHz 观察输入输出信号波形幅值变化 当输入频率小于3KHz时 输出信号的增益快 速衰减 当输入频率大于3KHz时 输出信号的幅度基本保持不变 与仿真相符 合
11、 注意 在打开电源之前 应现用万用表检测引线及各个电阻 确保没有短路和断 路 且不能带电操作 图 7 测试连接 图时的波形 图 KHz时的波形 图时的波形 图 11 10KHz时的波形 误差分析 电阻的标称值与真实值之间存在误差 在选取电阻时 实际电阻与理论计算电阻不太相符 导致误差 测量仪器的误差 主要是示波器的量化误差 系统误差 主要是测量仪器内阻的影响 导致仪器的读数值与电路的真实值之间 存在误差 电源电压输出值与真实值之间存在误差 示波器及函数信号发生器抗干扰能力差 产生误差 优化措施 我们可以通过采用电阻 电容串并联的方式逼近理想参数 减小误差 提高滤波器的阶数 使增益在阻带衰减加快
12、 采用巴特沃斯特性 切比雪夫特性及贝塞尔特性的滤波器改善性能 差分输入输出的滤波器 三阶高通有源滤波器的仿真电路图如图12 所示 幅频特性如图13 所示 图 12 三阶高通有源滤波器仿真电路图 图 13 三阶 RC高通有源滤波器的幅频特性 四阶高通有源滤波器的仿真电路图如图14 所示 幅频特性如图15 所示 图 14 四阶高通有源滤波器仿真电路图 图 15 四阶 RC高通有源滤波器的幅频特性 通过对二阶 三阶及四阶滤波器的频率响应分析 阶数越高 增益在阻带衰 减的越快 滤波器的性能越好 但是滤波器的阶数越高 所用的元器件越多 成 本越高 在性能要求不高时 尽量选择适合的滤波器 五阶巴特沃斯高通
13、滤波器仿真电路图如图16 所示 幅频特性如图17 所示 图 16 巴特沃斯高通滤波器仿真电路图 图 17 巴特沃斯高通滤波器的幅频特性 差分高通有源滤波器仿真电路图如图18 所示 幅频特性如图19 所示 图 18 差分高通有源滤波器仿真电路图 图 19 差分高通有源滤波器的幅频特性 五 心得体会 通过这次课程设计 让我更加深刻了解课本知识 和以往对知识的疏忽得以补充 在设计过程中遇到一些模糊的公式和专业用语 比如说经济刮板运输机及皮带运 输的选择 在选择选择刮板皮带运输选型时 在使用手册时 有的数据很难查出 但是这些问题经过这次设计 都一一得以解决 我相信这本书中还有很多我为搞 清楚的问题 但
14、是这次的课程设计给我相当的基础知识 为我以后工作打下了严 实的基础 虽然这次课程是那么短暂的2 周时间 我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期 所学 这次任务原则上是设计 其实就是一次大的作业 是让我对课本知识的巩 固和对基本公式的熟悉和应用 计算力学和运动学及预选电动机过程中的那些繁 琐的数据 使我做事的耐心和仔细程度得以提高 课程设计是培训学生运用本专 业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节 是对三年所 学知识的复习和巩固 同样 也促使了同学们的相互探讨 相互学习 因此 我 们必须认真 谨慎 踏实 一步一步的完成设计 如果时间可以重来 我可能会 认真的去学习和研究 也可能会自己独立的完成一个项目 我相信无论是谁看到 自己做出的成果时心里一定会很兴奋 此次设计让我明白了一个很深刻的道理 团队精神固然很重要 担人往往还是要靠自己的努力 自己亲身去经历 这样自 己的心里才会踏实 学到的东西才会更多 六 参考文献 日 马场清太郎著 何希才译 运算放大器应用电路设计 M 北京 科学出 版社 2007 卿太全 集成运算放大器应用电路集萃 M 北京 中国电力出版社 童诗白 华成英主编 模拟电子技术基础 第四版 M 北京 高等教育出版 社 郑君里 应启珩 杨为理 信号与系统 第三版 M 北京 高等教育出版社
