目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求……………1二、設(shè)計(jì)方案……………………12.1總方案設(shè)計(jì)……………12.1.1方案框圖………12.1.2子框圖的作用…………………12.1.3方案選擇………1三、硬件設(shè)計(jì)……………33.1單元電路的設(shè)計(jì)………33.1.1原理圖設(shè)計(jì)……………………33.1.2濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)………………43.2 元件參數(shù)的計(jì)算………63.2.1二階低通濾波器………………63.2.2二階高通濾波器………………73.2.3二階帶通濾波器………………73.3元器件選擇……………73.4工作原理………………8四、軟件設(shè)計(jì)………94.1MultiSim電路圖……………………94.2MultiSim仿真分析……………………10五、小結(jié)…………………13六、參考文獻(xiàn)……………………15第頁(yè)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器（濾波器參數(shù)自己設(shè)定），設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)，利用MATLAB或其它仿真軟件進(jìn)行仿真，并制作出硬件電路實(shí)物。要求1設(shè)計(jì)電路圖，確定前置放大電路，有源濾波電路，功率放大電路的方案；2相應(yīng)繪圖軟件畫(huà)出電路原理圖，包括低通、高通和帶通；3根據(jù)電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)；用MATLAB或其他仿真軟件對(duì)濾波器進(jìn)行仿真；4制作出硬件電路實(shí)物。二、設(shè)計(jì)方案2.1總方案設(shè)計(jì)2.1.1方案框圖RC網(wǎng)絡(luò)RC網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器圖2.1.1RC有源濾波總框圖2.1.2子框圖的作用1、RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。2、放大器的作用電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。3、反饋網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出信號(hào)的一部分或全部通過(guò)牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中的電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。2.1.3方案選擇濾波器在通信測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)在要求的頻（通內(nèi)具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無(wú)窮大的衰減。然而實(shí)際的濾波器距此有一定的差異，為此人們采用各種函數(shù)來(lái)逼近理想濾波器的頻率特性。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積和重量過(guò)大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用，這種濾波器的頻率范圍約為10-3Hz~106Hz,頻率穩(wěn)定度可做到（10-3~10~10-5）/攝氏度，頻率精度為+（3~5）%，并可用簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)來(lái)得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)選定電路形式和確定電路的元器件。濾波器等的技術(shù)指標(biāo)有通帶和阻帶之分，通帶指標(biāo)有通帶的邊界頻率（沒(méi)有特殊的說(shuō)明時(shí)一般為-3dB截止頻率），通帶傳輸系數(shù)。阻帶指標(biāo)為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度（即帶沿的陡變）。下面簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)中的考慮原則。關(guān)于濾波器類型的選擇一階濾波器電路最簡(jiǎn)單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好級(jí)數(shù)選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。運(yùn)放的要求在無(wú)特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。為了滿足足夠深的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增應(yīng)在80dB以上。對(duì)運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為Fh,則運(yùn)放的單位增益寬帶應(yīng)滿足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中為濾波通帶的傳輸系數(shù)。如果濾波器的輸入信號(hào)較小，例如在10mV以下，則選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過(guò)100kΩ，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。元器件的選擇一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc(ωc)帶內(nèi)增益Av，以及品質(zhì)因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之?dāng)?shù)目，因此有許多個(gè)元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。表1.1.3濾波器工作頻率與濾波電容取值的對(duì)應(yīng)關(guān)系f(1~10)Hz（10~102）Hz（102~103）Hz（1~10）KHz（10~103）KHz（102~103）KHzC(20~10)F（10~0.1）uF（0.1~0.01）uF（104~103）pF（103~102）pF（102~10）pF三、硬件設(shè)計(jì)3.1單元電路的設(shè)計(jì)3.1.1原理圖設(shè)計(jì)1.低通濾波器低通濾波器是用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。如圖3.1.1.1（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖3.1.1.1（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。圖3.1.1.1二階低通濾波器高通濾波器高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。將圖3.1.1.1低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖3.1.1.2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系。圖3.1.1.2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。圖3.1.1.2二階高通濾波器3.帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)改成高通而成。如圖3.1.1.3（a）所示。本電路的優(yōu)點(diǎn)是改變Rf和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。圖3.1.1.3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。圖3.1.1.3二階帶通濾波器3.1.2濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)，因受運(yùn)算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，根據(jù)要求我們僅研究低通、高通、帶通三種濾波器。它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動(dòng)時(shí)，用巴特沃斯響應(yīng)較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，則切比雪夫響應(yīng)較好。1.濾波器的傳輸函數(shù)表3.1.2.1二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)

低通

——電壓增益——低、高通濾波器的截止角頻率—帶通的中心角頻率BW——帶通濾波器的帶寬

高通

帶通單元電路性能參數(shù)低通濾波器二階低通濾波器的通帶增益品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。高通濾波器二階高通濾波器的通帶增益品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。（3）帶通濾波器通帶增益中心頻率通帶寬度選擇性3.2 元件參數(shù)的計(jì)算3.2.1二階低通濾波器二階低通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為ωC2＝１/（CC1RR1）(3.2.1.1)Q=0.707ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1(3.2.1.2)AV=1+R4/R3(3.2.1.3)3.2.2二階高通濾波器二階高通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為ωC2＝１/（CC1RR1）(3.2.2.1)Q=0.707ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1(3.2.2.2)AV=1+R4/R3(3.2.2.3)3.2.3二階帶通濾波器二階帶通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為ωC2＝(1/R1+1/R3)/R2C2(3.2.3.1)Q=ω0/BW(3.2.3.2)AV=1+R4/R5(AV≤2)(3.2.3.3)3.3元器件選擇電阻的選擇根據(jù)參數(shù)計(jì)算得的結(jié)果和市場(chǎng)上所出售的請(qǐng)況而選擇，見(jiàn)附錄清單。電容的選擇根據(jù)電阻的確定和規(guī)定的截止頻率而選擇，見(jiàn)附錄清單。運(yùn)放的選擇本電路選擇了八管腳的UA741單運(yùn)放。其管腳圖如下，圖3.2.1Ua741管腳圖圖3.2.2uA741內(nèi)部原理圖3.4工作原理濾波電路是一種能使有用頻率通過(guò)，同時(shí)抑制無(wú)用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運(yùn)算放大器、電容和電阻可構(gòu)成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負(fù)載能力。由于受到集成運(yùn)算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場(chǎng)合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號(hào)能通過(guò)而高頻信號(hào)不能夠通過(guò)的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號(hào)能通過(guò)而該頻段之外的信號(hào)不能通過(guò)的電路，帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(guò)（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過(guò)四、軟件設(shè)計(jì)4.1MultiSim電路圖1. 二階低通濾波器圖4.1.1二階低通濾波電路2.二階高通濾波器圖4.1.2二階高通濾波電路3. 二階帶通濾波器圖4.1.3二階帶通濾波電路5.總濾波電路MultiSim仿真分析分析結(jié)果圖1.二階低通濾電路圖4.2.1（a）圖4.2.1（b）2.二階高通濾電路圖4.2.2（a）圖4.2.2（b）3.二階帶通濾電路圖4.2.3（a）圖4.2.3（b）五、小結(jié)1高通實(shí)驗(yàn)結(jié)果:低通實(shí)驗(yàn)結(jié)果:帶通實(shí)驗(yàn)結(jié)果:本次課程設(shè)計(jì)是二階有源濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),由我們?nèi)齻€(gè)集體完成，此次課程設(shè)計(jì)將理論和實(shí)踐相結(jié)合。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)拓寬了自己對(duì)模擬電子技術(shù)這門(mén)課的認(rèn)識(shí)，也增強(qiáng)了我的動(dòng)手操作能力，也鍛煉了自己的實(shí)踐能力，在此過(guò)程中我們采用了仿真和制板軟件Multisim和AltiumDesigner。自已設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，構(gòu)成了低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，利用仿真軟件進(jìn)行仿真，所設(shè)計(jì)的濾波器不僅有濾波功能，而且能起放大作用，負(fù)載能力要強(qiáng)，根據(jù)給定要求和電路原理圖計(jì)算和選取單元電路的元件參數(shù)?；叵肫鸫舜握n程設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)歷的種種困難，遇到不明白的問(wèn)題時(shí)，與他人討論，查閱書(shū)籍的過(guò)程，所有的努力都指向一個(gè)明確的目