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1、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第1章 摘要本文介绍一种基于运算放大器的工频信号陷波器的设计与制作，用以消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号。叙述内容包括工频信号陷波器的工作原理与设计思路，介绍了陷波器的参数计算及其选择，通过multisim仿真，记录和分析了该陷波器的工作特性与陷波性能，论证了该陷波器的可行性。此次设计的陷波器优点是：陷波性能良好，带宽较小，品质因数Q可调，即滤波性能便于调整，电路线路简单，具有实际应用价值。缺点是：对于元器件的参数要求高，需要仔细调节。第2章 设计原理概述及设计要求2.1陷波器的基本原理及作用陷波器也称带阻滤波器（窄带阻
2、滤波器），它能在保证其他频率的信号不损失的情况下，有效的抑制输入信号中某一频率信息。所以当电路中需要滤除存在的某一特定频率的干扰信号时，就经常用到陷波器。在我国采用的是50hz频率的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时，常会存在50hz的工频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此50Hz陷波器在日常成产生活中被广泛应用，其技术已基本成熟。工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。2.2设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的multisim仿真；3：完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参
3、数以及仿真结果);4：提交一份电路原理图第3章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计3.1理论分析陷波器就是一种用作单一频率陷波的窄带阻滤波器，一般用带通滤波器和减法器电路组合起来实现。理想的带阻滤波器在其阻带内的增益为零。带阻滤波器的频率特性如图3.1.1所示。滤波器的中心频率和抑制带宽BW之间的关系为：图3.1.1带阻滤波器频率特性陷波器的实现方法有很多，本次设计采用的是电路比较简单，易于实现的双T型陷波器。双T型带阻滤波器的主体包括三部分内容：选频部分、放大器部分、反馈部分。此陷波器具有良好的选频特性和比较高的Q值。基本电路原理图如图3.1.2所示图3.1.2双T型陷波器电路图中，用作放大
4、器，其输出端作为整个电路的输出。接成电压跟随器的形式。因为双T网络只有在离中心频率较远时才能达到较好的衰减特性，因此滤波器的Q值不高。加入电压跟随器是为了提高Q值，此电路中，Q值可以提高到50以上，调节、两个电阻的阻值，来控制陷波器的滤波特性，包括带阻滤波的频带宽度和Q值的高低。在图2中，, ， ，令， 对节点A列KCL方程，得： （1）同样，对节点B列KCL方程，得： （2）同样，对节点C列KCL方程，得： （3）由式（1）、（2）、（3）可得到电路的传递函数为： （4）令，得： （5）由带阻滤波器的标准形式： （6）可得： ,其中当时，当远大于，或者远小于时，增益接近1。令，可以求得： （
5、7） （8） （9） （10）因此，当 时，Q值极高，BW接近于零，所以我们可以改变K的值来调节带宽，Q值越大，带阻曲线越窄，限波效果约好，但是实际应用中Q值不能无限大，如果Q值过大，会引起电路的振荡，不稳定。 双T陷波器的幅频特性如图3.1.3所示图3.1.3 双T陷波器的幅频特性其中心频率的计算公式为： （11）因此T型结构中的电容和电阻用来确定中心频率的值，可以通过改变这些电容和电阻来选择需要滤除的频率值。3.2 参数的具体计算及选择本次设计要求消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号，所以中心频率，令R= 31.85，则C=100nf。带宽BW越小越好，取，可得
6、，即，,取 为了防止中心频率漂移，要使用镀银云母电容或碳酸盐电容和金属膜电阻。常见衰减量为4050dB，如果要得到60dB的衰减量，必须要求电阻的误差小于0.1%，电容误差小于0.1%。3.3 电路组成图3.3.1、为双T陷波器Multisim仿真电路。图1.3.2双T陷波器Multisim仿真电路仿真图中的元器件参数：第4章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试4.1 multisim 50Hz正弦频率信号源仿真图4.1.1 =50Hz时实测波形图图4.1.2 =49Hz时实测波形图图4.1.2 =51Hz时实测波形图4.2 仿真数据记录及简要分析表4.1.1 =49Hz、50Hz、51H
7、z时数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差499.9998.523-1.39-0.196509.9970.586-24.64-0.4519.9998.876-1.0340.204分析：当频率为49Hz的信号通过陷波器时，由于该频率小于第一窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为50Hz的信号通过陷波器时，由于该频率等于第一窄带阻带的中心频率，所以该信号不能通过陷波器。当频率为51Hz的信号通过陷波器时，由于该频率大于第一窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。注：本小节multisim仿真图中黄色（颜色较浅）是输入曲线，红色（颜色较深）是输出曲线10
