《信号与线性系统课程设计报告-有源滤波器设计与分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号与线性系统课程设计报告-有源滤波器设计与分析（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、信号与线性系统课程设计报告有源滤波器设计与分析 源滤波器设计与分析摘要：实验主要研究采用运算放大器，分别设计参数可调的源低通、高通、带通、全通滤波器的设计，并使用 multisim 软件仿真和焊接电路板进行实际电路测试，并与仿真结果比较分析。掌握滤波器的设计原理，通过仿真分析各种滤波器的频率响应和时域响应，改变不同的电路参数来观察滤波器的性能，分析比较设计出优化滤波器。在实验过程中锻炼学生的分析解决问题的能力和动手操作能力，达到理论与实践相结合的目的，并相应地了解滤波器在实际生活中的应用，将所学的内容运用到实际中。关键词：滤波器，截止频率，仿真，电路测试1 课程设计的目的、意义本课题研究有源低
2、通、高通、带通、全通滤波器的设计，并通过仿真和实际电路测试，分析各种滤波器的频率响应和时域响应。通过本课题的设计，主要达到以下几个目的、意义：1.掌握有源滤波器的基本原理及设计方法。2.深入理解信号频谱和信号滤波的概念，理解滤波器幅频响应和相频响应对信号的影响，了解不同类型滤波器时域响应的特点。3.掌握模拟滤波器频域响应的测试方法。4.掌握利用 Multisim 软件进行模拟滤波器设计及仿真的方法。5.了解有源滤波器硬件电路的设计、制作、调试过程及步骤。6.掌握新一代信号与系统硬件实验平台及虚拟示波器、虚拟信号发生器的操作使用方法。7.培养运用所学知识分析和解决实际问题的能力。2 课程设计任务
3、本课题的任务包括有源滤波器电路设计、电路（系统）仿真分析、电路板焊接、电路调试与测试、仿真和测试结果分析等内容，主要工作有：1. 采用运算放大器，分别设计参数可调的有源低通、带通、高通、全通滤波器，并用Multisim 软件进行仿真验证，并测试其时域和频率响应。2. 列出所设计各滤波器的系统函数，用 Matlab 软件分析其频率响应、时域响应，并与Multisim 电路仿真的结果进行比较分析。3. 在 Multisim 仿真软件中，给各滤波器分别输入适当的信号，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响。4. 根据所设计的滤波器元件参数，在 PCB 板上完成各有源滤波器电路的焊接。5. 利用新开发
4、的信号与系统实验平台，对焊接好的电路进行调试，确保其工作正常。6. 采用适当的方法，调整相关元件参数，测试各滤波器的时域响应和频率响应，与相关仿真分析结果进行比较，并分析误差产生的原因。7. 将适当信号输入滤波器，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响，并与仿真结果进行比较，分析其差异产生的原因。3.课程设计要求利用运算放大器，设计二阶压控电压源型（VCVS ）有源低通、高通、带通、全通滤波器，滤波器原型电路参见参考文献。滤波器主要技术指标要求：截止频率在 10020kHz 范围内连续可调（用两个可调电阻实现） ；滤波器通带增益设计为约等于 2；其余指标自定。4.设计方案及论证（设计原理、电路
5、设计、滤波器参数设计等）仿真调试步骤、结果及分析电路制作调试步骤、调试结果1.二阶有源低通滤波器1.1 设计原理图参数计算其中可调电阻 Ra1,Rb1 的选择，参考公式CR21)(2R= *2 、 = *2cfcf其中 、 分别是极点坐标的实部和虚部，C=0.01uF， 、 通过查表得知为 =0.6104、 =0.7106选取 =1000Hz，计算得cfRa1=13.037K ,Rb1=22.141K ， 图 1-1 低通原理图1.2 仿真测试图 图 1-2 幅度特性图 1通过图 1-2 可知通带截止频率 =777Hz，阻带截止频率 =700KHz ps图 1-3 幅度特性图 2由图 1-3
6、知 =1012Hz，与计算结果符合cf图 1-4 相位特性图图 1-5 低通滤波器滤波图通过图 1-5 知方波由很多正弦分量组成，通过低通滤波器，可以滤出部分分量，得到能量最大正弦波图 1-6 冲激响应图 图 1-7 阶跃响应图硬件电路测试图：图 1-8 冲激响应图图 1-9 阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合1.3 改变参数测试1.3.1 改变 Ra1、Rb1 的阻值选取 Ra1=10K、Rb1=1.7K图 1-10 幅度特性图通过图 1-10 可知通带截止频率 =3.722khz，阻带截止频率 =1.535MHzps图 1-11 冲激响应图图 1-12 阶跃响应图硬件电路测试图：图 1-13
7、 冲激响应图图 1-14 阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合1.3.2 改变 Ra1、Rb1 的阻值选取 Ra1=33K、Rb1=33K图 1-15 幅度特性图通过图 1-15 可知通带截止频率 =525.149hz，阻带截止频率 =756,544kHzps图 1-16 冲激响应图观察阶跃响应图 1-17 阶跃响应图硬件电路测试图： 图 1-18 冲激响应图图 1-17 阶跃响应图硬件测试与仿真结果符合1.4 matlab 测试系统函数公式 2121212 21)(/)( CRACRSsHFF对 FA=2， = 1kHz，Ra1=13.037K ,Rb1=22.141Kcf Matlab 程序R
8、1=13.037;R2=22.241;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=0,0,2/(R1*R2*c2*c1);a=1,1/(R1*c1)+1/(R2*c1)-1/(R2*c2),1/(R1*R2*c2*c1);y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title(阶跃响应)figure(2)plot(y2)title(冲激响应)figure(3)bode(b,a) 图 1-18 低通滤波器冲激响应图 1-19 低通滤波器阶跃响应 图 1-20 低通滤波器幅频与相频响应与仿真结果符合2.二阶有源高通滤波器2.1 设计原理图
9、参数计算 202)1(/)(41CkkARF202)(/)(F0f1krfRFA1C=0.01uF， 、 通过查表得知为 = 、 =12由原理图可知 k=1， =2F选取 =10KHz，计算得cfR3=1821 R4=1391 图 2-1 高通滤波器原理图2.2 仿真测试图频域仿真图图 2-2 幅度特性图 1通过图 2-2 可知通带截止频率 =13.189KHzp 图 2-3 幅度特性图 2由图 2-3 知 =10KHz，与计算结果符合cf图 2-4 相位特性图图图 2-5 高通滤波器时域图 1 图 2-6 高通滤波器时域图 2图 2-7 高通滤波器时域图 3通过这三张图可知高通滤波器的性能并
10、不是很高，通带截止频率 13.189KHz，当输入 1KHz 时基本滤除，但当输入 5KHz 的时仍然有部分分量通过，没有滤干净，当输入 20KHz 的时，可以看到有相位的变化。图 2-8 冲激响应图硬件电路测试图 2-9 阶跃响应图硬件电路测试图 2-10 高通滤波器时域图图 2-11 冲激响应图 图 2-12 阶跃响应图与仿真结果符合2.3 改变参数2.3.1 改变不同的电阻阻值测得响应R3=20k R4=20K图 2-13 幅度特性图通过图 2-13 可知通带截止频率 =872Hzp 图 2-14 冲激响应图改变不同的电阻阻值测得响应R3=20k R4=20K图 2-15 阶跃响应图通过
11、图 2-15 可知通带截止频率 =92KHz 3dB 截止频率 62kHzp通过公式分析可以知道电阻选取的越大择 3dB 截止频率越小2.4 matlab 测试系统函数公式 2111222)()( CRSACRSsHff对对 =2, = 10kHz， =1821 ， =1391FAcf Matlab 程序R1=1821;R2=1391;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=2,0,0;a=1,1/(R2*c1)+1/(R2*c1)-1/(R1*c2),1/(R1*R2*c2*c1);y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)t
12、itle(阶跃响应)figure(2)plot(y2)title(冲激响应)figure(3)bode(b,a)图 2-16 高通滤波器冲激响应 图 2-17 高通滤波器阶跃响应图 2-18 高通滤波器幅频与相频响应与仿真结果符3.二阶有源带通通滤波器3.1 设计原理图02313QRfCAraR3=82k，R1=20k，C=0.01uF ，Ar=2选取 =500Hz，计算得cfR2=32.115k 图 3-1 带通滤波器原理图3.2 仿真测试图频域仿真图 图 3-2 幅度特性图 1由图 3-2 知中心频率 500hz图 3-3 幅度特性图 2由图 3-3 知通带截止频率 334hz，阻带截止频
13、率 741hz，通带带宽为 741-334=307hz图 3-4 相频特性图 图 3-5 时域仿真图 1图 3-6 时域仿真图 2通带截止频率 334hz，阻带截止频率 741hz由图可知当输入频率为 500hz 时，全部通过，根据相位特性知有 180 度的相移，反相当输入频率为 2000hz 时，还有分量通过，可知此带通滤波器的滤波性能不高 图 3-7 冲激响应图图 3-8 阶跃响应图观察硬件测试图 3-9 冲激响应图 图 3-10 阶跃响应图与仿真结果符合3.3 改变参数改变 Ra3 数值，Ra3=100 图 3-11 幅度响应图由图 3-10 可知中心频率为 5.5khz图 3-12 冲
14、激响应图 图 3-1 阶跃响应图2.4matlab 测试系统函数公式 )/1(2)( 388198219aRCsRRSsH其中 R19=82k，R18=20k，C=0.01uF ，Ar=2， =500Hz， =32.115k cf3aMatlab 程序R1=32115;R19=82000;R18=20000;c1=0.01*10-6;c2=0.01*10-6;b=0,c1*R19,0;a=R18*R19*c1*c1,2*c1*R18,1+R18/R1;y1=step(b,a);y2=impulse(b,a);figure(1)plot(y1)title(阶跃响应)figure(2)plot(y2)title(冲激响应)figure(3)bode(b,a) 图 3-14 带通滤波器冲激响应图 3-15 带通滤波器阶跃响应 图 3-16 带通滤波器幅频与相频响应与仿真结果符合4.二阶有源全通通滤波器4.1 设计原理图
