带通滤波器设计模拟电子技术课程设计报告大学论文

模拟电子技术课程设计报告带通滤波器设计班级：自动化1202姓名：杨益伟学号：120900321日期：2014年7月2日信息科学与技术学院目录第一章设计任务及要求1、1设计概述------------------------------------31、2设计任务及要求------------------------------3 第二章总体电路设计方案2、1设计思想-----------------------------------42、2各功能的组成-------------------------------52、3总体工作过程及方案框图---------------------5 第三章单元电路设计与分析3、1各单元电路的选择---------------------------63、2单元电路软件仿真---------------------------8 第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定---------94、2总体电路软件仿真---------------------------11 第五章电路的组构与调试5、1使用的主要仪器、仪表-----------------------125、2测试的数据与波形---------------------------125、3组装与调试---------------------------------145、4调试出现的故障及解决方法-------------------14 第六章设计电路的特点及改进方向6、1设计电路的特点及改进方向-------------------14 第七章电路元件参数列表7、1 电路元件一览表---------------------------15 第八章结束语8、1 对设计题目的结论性意见及改进的意向说明----168、2 总结设计的收获与体会----------------------16 附图(电路仿真总图、电路图)参考文献第一章设计任务及要求1、1设计概述：带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过、其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。

在滤波器中，信号能够通过的范围称为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带，通带和阻带之间的界限称为截止频率，由于元件固有特效的限制，通带和阻带之间存在过渡带。

带通滤波器的实际设计过程中，主要参数包括中心频率f0、频率带宽BW、上限截止频率fh和下限截止频率fl。

其中，通带越窄，其选频特性越好。

1、2设计任务及要求：（1）设计任务：本实验将高通滤波器与低通滤波器串联来实现一个带通滤波器，通过多级反馈，减少干扰信号对滤波器的影响。

为了检测滤波电路的选频特性，设计一个带宽检测电路，通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。

（2）设计要求：性能指标要求1、输入信号：有效值为1V的电压信号。

2、输出信号中心频率f0通过开关切换，分别为500hz、1khz、5khz、10khz，误差为10%。

3、带通滤波器带宽BW<=（fh-fl）,在增益符合要求的情况下带宽尽可能窄。

4、用LED发光二极管显示上、下限截止频率。

第二章 总体电路设计方案2、1设计思想：方案一：将一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来，即可组成一个带通滤波器，如上图。

其中低通滤波器的通带截止频率为f2，高通滤波器的通带频率为f1。

当输入信号通过低通滤波器时，f>f2的信号被滤掉；然后，再通过高通滤波器，f<f1的信号又被滤掉。

最后，只有频率在f1和f2之间的信号才能通过电路，从而实现了“带通滤波”的要求。

UiU0方案二：Ui 经过高通滤波器和低通滤波器后便得到带通信号U2，U2再经过一个低通滤波器可得到低通U3。

再对原信号引入两个反馈，带通信号U2正反馈以及输出端U3引入的负反馈。

这样，输出U2即为改良后的带通信号，便到达了设计目标。

对比分析方案一需要注意一个问题，组成带通滤波器时，低通滤波器的通带截止频率f2必须大于高通滤波器的通带截止频率f1。

否则，如果f2<f1，则任何频率的信号都无法通过电路，也就无法组成带通滤波器了。

方案二其内在原理基本相同，一个全通信号先减去高通，然后减去低通，剩下的就是带通。

但方案二中引入了两个反馈，当频率接近通带截频率但小于时，从输出端引回的反馈信号将增强输入信号的作用，因此，幅频特性在接近通带截止频率时将得到补偿而不会很快下降。

总的来说，方案二在通带截止频率的附近得到较好的改善。

而且加入带通信号的正反馈，使其滤波功能更加接近切比雪夫滤波器，其在过渡带衰减快，和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。

总之，方案二比方案一更加完善，误差也更小，同时也考虑到实验器材的选取条件，因此本课题设计采用方案二。

2、2各功能组成主体电路功能：当以U2为输出端时，主体电路相当于一个带通滤波器电路，原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。

原信号引入的两条反馈即可增强输入信号的作用，也可改善截止频率附近的滤波功能。

线性检波滤波电路功能：输入的正弦信号Ui和U2首先经过检波电路转换为全波，再经过滤波转化为直流量比较显示电路功能：原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui’,U2’通过比较器进行比较，集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。

Ui’接比较器正端，U2’接比较器负端，当Ui’>U2’时，二极管发光，二者相等时，灯闪烁，U2’>Ui’时，灯不亮。

2、3总体工作过程及方案框图总体工作过程：当以U2为输出端时，主体电路相当于一个带通滤波器电路，原信号Ui经过带通滤波器滤波后产生信号U2。

原信号Ui和带通滤波后信号U2经过检波滤波电路后转化为直流量Ui’,U2’通过比较器进行比较，集成运放输出端接发光二极管和电阻后接地。

Ui’接比较器正端，U2’接比较器负端。

当Ui’>U2’时，二极管发光，二者相等时，灯闪烁，U2’>Ui’时，灯不亮。

方案总体框图：第三章 单元电路设计与分析3、1各单元电路的选择低通滤波器 ：积分运算电路具有低通特性，上图是反相输入一阶低通滤波电路。

现在分析其电路特性：因为，通常，在分析运算电路时均设集成运放为理想运放，因而其两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零，即具有“虚短路”和“虚断路”两个特点。

所以，Up=Un=0；经过电阻R 和电容C 的电流相等。

Un Ui i R-= 1U o U n i SC-=得()1()Uo s Ui s sRC =-然后S 用jw 代入，得到：1Uo Ui jwRC =-上限截止频率012f RCπ=高通滤波器：线性检波电路：当输入Ui 为正时，经过反相器反相，Uo ’<0,而Un=0，因此二极管D1导通，D2不导通，Uo ’=-0.7V 。

Uo 被两个10K 的电阻分压，2UiUo =；当输入Ui 为负时，经过反相器反相，Uo ’>0，故D1不导通，D2导通，2010Un Ui Uo Unk --=，由于虚地点，Un=0，所以2UiUo =-。

综上所述，输入信号Ui 经过绝对值电路后，输出Uo 都为正值，且为输入的一半，即2Ui Uo =。

Ui ’Un3、2单元电路软件仿真低通滤波器幅频特性曲线：检波电路波形曲线：检波滤波电路曲线：第四章总体电路工作原理图及电路仿真结果4、1总体电路工作原理图及元件参数的确定总体电路工作原理图：上半部分为主体电路，下半部分的左右部分均为线性检波滤波电路，右下角为比较显示电路元件参数的确定：首先对主体电路进行分析按照原理框图的设计思想，具体电路布置如上。

第一个运算放大器是反馈端，后面两个运算放大器电路构成两个低通滤波电路。

输入为Ui ，，y1，y2，y3分别为高通，带通，低通输出。

所以y2是此次课题设计的带通滤波器的输出端。

由于课题设计带通滤波器的输出中心频率可变（用开关切换），即有500HZ ，1KHz ，5KHz ，10KHz 四种，因此反相一阶低通滤波电路的电容，电阻要适当取值。

为保证带通滤波电路的输出中心频率的稳定，两个低通滤波电路的电容，电阻取值相同。

我们研究的是带通滤波电路，因此要得到电压放大倍数，即U2/UI 根据理想运算放大器的虚短，虚断特性可以得到：20331010iy U i -=+2111y y i R sC -=+ 3221y y i R sC-=+1333320102010y y i -=⨯+⨯设pn U U U==联立上式得传递函数：21()1()1i sCRy s U s sCR =-++然后用jw 代替s ：2111()i wCR y U j wCR =-+- 中心频率从式①中可以看出，当虚部为0时，即电压放大倍数为1，得到1wCR wCR =又2w fπ=，化简得中心频率012f RCπ=根据中心频率公式012f RCπ=，分别算出500HZ ，1KHz ，5KHz ，10KHzsi四种频率时的电阻值，012R f Cπ=（这里我们电容C 取0.01uf ）500HZ 时，R1=31.82K Ω 1KHz 时，R2=15.92K Ω 5KHz 时，R2=3.182K Ω 10KHz 时，R3=1.592K Ω4、2总体电路软件仿真信号频率为中心频率时对U2进行波形仿真：带通滤波器的幅频特性曲线：UI、U2经过检波滤波电路变为直流量UI’,U2’第五章电路的组构与调试5、1使用的主要仪器、仪表5、2测试的数据与波形测量数据：测量波形：以中心频率为500hz为例信号源频率为500hz时信号源频率为仿真下限频率306hz信号频率为仿真上限频率840hz5、3组装与调试确定好各元件参数后，获得自己需要的元器件，开始组装。

调试过程：主体电路组装完成后，用函数信号发生器作为信号源，频率选择中心频率，观察U2波形与原信号波形是否反相，如反相则主体电路正常工作。

线性检波滤波电路组装完成后，用函数信号发生器作为信号源，断开电容，看其输出端是否为全波，接上电解电容观察全波是否被滤成直流量，如果正常，则线性检波滤波电路工作正常比较显示电路，观察比较器两端电压变化时，灯是否能正常亮灭，如正常，则比较显示电路工作正常5、4调试出现的故障及解决方法故障一：U2波形出部分失真解决办法：经过仔细观察，发现一处接触不良，换下原来电阻后重新连接，波形恢复正常。

故障二：信号源频率改变，LED指示灯仍一直长亮不灭解决办法：用示波器两通道分别观察比较器两端电压，发现比较器正端电压Ui’高于负端U2’能获得的最大电压。

察觉到自己没有调节好滑动变阻器，将滑动变阻器转动，使输出电压为最大电压的0.707倍。