光電子線路課程設計--模擬濾波器設計

1、<p><b>　　光電子線路課程設計</b></p><p>　　———模擬濾波器設計</p><p><b>　　學號：</b></p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　指導： </b></p>

2、<p>　　時間：2011年9月5日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　引言……………………………………………………… 03</p><p>　　正文……………………………………………………… 03</p><p>　　設計要求……………………………………… 0

3、3</p><p>　　設計過程……………………………………… 04</p><p>　　手工計算設計…………………………… 04</p><p>　　計算機仿真……………………………… 05</p><p>　　實際連接與調試………………………… 06</p><p>　　帶通濾波器設計過程

4、…………………… 07</p><p>　　設計結果分析與反思…………………………… 11</p><p>　　結論…………………………………………………………… 11</p><p>　　致謝…………………………………………………………… 11</p><p>　　參考資料…………………………………………………… 11&l

5、t;/p><p><b>　　光電子線路課程設計</b></p><p><b>　　——模擬濾波器設計</b></p><p><b>　　（南京理工大學）</b></p><p>　　摘要：本文詳細介紹了一種二階有源模擬濾波器的設計過程和調試方法。給定設計參數(shù)，依照所給的電阻電

6、容數(shù)值，合理選取電路元件和濾波器結構，以滿足設計要求。其設計過程分為三個部分，首先進行手工計算選取合適的元件值，初步滿足設計要求；然后在計算機平臺上利用Multisim軟件進行仿真測試，獲得設計電路的頻響特性，并與手工計算結果進行比較，觀察差異并分析原因；最后實際搭建電路，測量電路的頻響特性并適當調整元件參數(shù)值，以滿足設計要求，并與計算和仿真結果相比較，觀察差異并分析原因。</p><p>　　關鍵詞：模擬濾波；

7、 二階有源； 頻響特性；低通帶通；仿真 </p><p><b>　　引言</b></p><p>　　光電信號大多是微弱的電信號，而噪聲信號一般都較大。同時，在信號的處理、放大、傳輸及光電探測器本身等各個環(huán)節(jié)中，也很容易引進干擾信號。在嚴重情況下，這些干擾信號會淹沒有用信號，以致無法測量。在這種情況下，除了采取有效的抗干擾措施之外，采用信號濾波技術是提高信噪比（S/

8、N）行之有效的方法。</p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　2.1 設計要求</b></p><p>　　利用以下所提供的元器件，設計一個二階有源模擬濾波器。對于低通濾波器，要求其上限截止頻率f為1kHz，且增益盡量為2倍。若是高通濾波器，則其下限截止頻率f為500Hz。對于帶通濾波器，要求

9、中心頻率f為1kHz，帶寬△f≤50Hz，盡可能使上升沿下降沿對稱，增益盡量為為2倍。</p><p>　　電阻：47 56 75 300 330 430 470 510 （Ω）</p><p>　　1 1.5 3 4.7 5.1 7.5 10 11 15 20 </p><p>　　33 43 47 51 68 180

10、 300 470 （kΩ）</p><p>　　電容：0.001 0.01 0.1 1 0.0022 0.022 0.22 0.015 0.033 0.33 0.047 0.47 4.7 10 22 47 33 100 220 (μF)</p><p>　　6800 (pF)</p><p>　　741集成運算放大器一片、面

11、包板一塊、導線若干</p><p>　　儀器儀表：數(shù)字萬用表一塊、示波器一臺、信號發(fā)生器一臺、穩(wěn)壓電源一臺</p><p><b>　　2.2 設計過程</b></p><p>　　2.2.1 手工計算設計</p><p>　　對于低通濾波，可利用運放組成有限增益可控的有源二階低通濾波器。其電路結構如圖2.1所示。<

12、;/p><p>　　圖 2.1 有限增益二階低通濾波器電路圖</p><p>　　為計算簡便，設R1=R2=R，C1=C2=C，利用節(jié)點電流法，有：</p><p><b>　?。ü?.1）</b></p><p><b>　　可得其傳遞函數(shù)為</b></p><p><

13、b>　?。ü?2.2）</b></p><p><b>　　對比兩式可得</b></p><p><b>　　（公式 2.3）</b></p><p>　　當時，取R=330Ω，C=0.47μF，可滿足要求，其實際截止頻率f=1026.1Hz，取R3=R4=10kΩ，則增益H0為2倍。</p>

14、;<p>　　2.2.2 計算機仿真</p><p>　　將2.2.1中得到的元件數(shù)值和電路在Multisim中進行仿真。其電路圖如圖2.2。</p><p>　　圖2.2 各元件參數(shù)及仿真電路</p><p>　　對電路進行交流分析（AC Analysis），獲得其頻響特性曲線如下：</p><p>　　圖2.3 仿真低通頻響

15、曲線</p><p>　　由圖2.3可知最大輸出電壓為10V，已知輸入電壓設為5V，所以增益滿足H=2倍。同時，在10／1.414處，對應的頻率f=1.27kHz，還是存在較大偏離。從曲線可以觀察到從200到1kHz之間，輸出幅值有一個上升的小坡，其影響到實際的輸出值。若取輸出最大幅值而非100Hz處幅值，則截止頻率將會更接近1kHz。另外還可觀察到，當頻率超過10kHz之后，濾波器阻帶抑制特性將會變差。<

16、/p><p>　　2.2.3 實際連接與調試</p><p>　　將上文所設計的電路在面包板上連接好，檢查無誤后接通電源，集成運放采用±12V供電。調整信號發(fā)生器的輸出頻率，觀察示波器的波形并記錄輸出電壓。當R1=R2=330Ω時，取100Hz時電壓為峰值電壓，得截止頻率為1300Hz，確實偏離過大，但與仿真吻合的較好。根據(jù)公式2.3可知，可以適當增大R1和R2的值，來減小截止頻率的

17、值。當R=（330+27）Ω時，截止頻率為1150Hz，當R=（330+56+27）Ω時，截止頻率為1042Hz，誤差為4%，滿足設計要求。</p><p>　　當R=413Ω，輸入信號電壓為3V時，改變輸入信號頻率，記錄輸出電壓如下：</p><p>　　表2.1 低通頻響輸出電壓</p><p>　　根據(jù)記錄的頻響輸出電壓數(shù)據(jù)，作出其頻響曲線如下：</p&

18、gt;<p>　　圖2.4 實測低通頻響曲線</p><p>　　觀察曲線可知其輸出滿足低通特性，且當f=100Hz時，Vpp=6.20V，增益為2倍左右，當Vo=4.32V時，f=1042Hz，即為截止頻率。同時還可以觀察到在通帶部分有一個小的起伏，并不是很平坦，這也是需要進一步改進的地方，可以通過增大系統(tǒng)的阻尼系數(shù)來實現(xiàn)。此外，在超過20kHz之后，可以通過數(shù)據(jù)表格看出其阻帶抑制能力下降，輸出波

19、形幅度上升。</p><p>　　2.2.4 帶通濾波器設計過程</p><p>　　圖2.5 帶通濾波器電路圖</p><p>　　帶通濾波器采用圖2.5所示連接方式。由其節(jié)點電壓方程可求得其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。ü?2.4）</b></p><p>　　為簡化設計，取C

20、1=C2=C，R1>>R2，上式經(jīng)化簡成為標準形式：</p><p><b>　?。ü?2.5）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　（公式 2.6）</b></p><p>　　根據(jù)設計要求，f=1000Hz，BW=Δf

21、=50Hz，且增益H0=2倍，代入公式2.6進行計算，并依據(jù)所給的元件值，最終可選：</p><p>　　C=0.1μF R1=7.5kΩ R2=75Ω R3=（10+10+10）kΩ</p><p>　　根據(jù)以上參數(shù)得到仿真電路如下：</p><p>　　圖2.6 帶通仿真電路</p><p>　　在Multisim1

22、1.0中選取相應參數(shù)元件，連接好電路，采用交流分析（AC Analysis），獲得帶通電路的頻響曲線如下圖。</p><p>　　圖2.7 仿真帶通頻響特性曲線</p><p>　　由仿真結果可知，當f=1000Hz時，濾波器輸出最大值Vo=6.775V，以0.707Vo作為截止頻率電壓值，可得上下限截止頻率分別為f1=942.5Hz，f2=1090Hz，基本在設計范圍之內(nèi)。</p&

23、gt;<p>　　在面包板上搭建以上參數(shù)的電路，步驟同低通濾波器設計。改變信號發(fā)生器的輸出頻率，在示波器上觀測輸出信號的波形和幅度，并記錄成表。</p><p>　　表2.2 帶通頻響輸出電壓</p><p>　　依據(jù)以上數(shù)據(jù)表格，描點作出實際頻響曲線如下：</p><p>　　圖2.8 帶通實測頻響曲線</p><p>　　從

24、數(shù)據(jù)記錄表格可以看出，當取f=990Hz，對應最大電壓為Vo=3.44V，以0.707Vo作為截止電壓，可查得上下截止頻率分別為f1=925Hz，f2=1060Hz，除了范圍略大些之外，對稱性還是比較好，但增益只有1.15，主要就是由于是窄帶濾波器，其高通和低通衰減相互疊加，致使通帶部分衰減較大。</p><p>　　根據(jù)實際測量結果，可知其基本滿足設計要求，但仍有不足之處?？梢酝ㄟ^調整電路元件的參數(shù)來進行修正。

25、根據(jù)公式2.6，減小R2的阻值，將會使Q值增大，衰減加快，從而縮小濾波器的通帶帶寬BW。在減小R2阻值的同時，適當調整R3的阻值，可以使中心頻率f接近1000Hz。此外，減小R1的阻值，可以使增益H增大，不斷調整并直至H為2倍即可。</p><p>　　所以，在實際電路中按照以上原則，不斷進行測試和調整，就可以達到所要求的設計參數(shù)。不過，由于當時的客觀條件限制，我沒有進行這一步的操作，請老師見諒！</p&g

26、t;<p>　　2.3 設計結果分析與反思</p><p>　　觀察設計過程，可以發(fā)現(xiàn)計算結果與仿真結果會有一定的偏差，但是差別不算太大，主要是由于手工計算的一些近似以及仿真時采用實際元件模型引入誤差，導致略微的偏差；</p><p>　　相對而言，實際電路測試結果則與計算仿真結果相差較大。主要是由于元器件實際值與標稱值的差異較大。當時選用的1kΩ電阻，用萬用表測量，其實際值

27、只有960Ω。其次，電路連接方式、環(huán)境因素以及儀器儀表等都會造成誤差；</p><p>　　觀察仿真頻響曲線和實測頻響曲線，都可以發(fā)現(xiàn)，當f>10kHz時，其阻帶抑制能力下降，輸出幅度開始呈上升趨勢。這是由于采用了集成運放等元件，其工作頻率范圍一般都要求小于1MHz，否則會造成電路特性變壞。因此，對于有源濾波器，其一般使用場合是中低頻段，至于高頻段，則一般使用無源濾波器；</p><p&

28、gt;　　在實際搭建電路過程中，有一些問題需要引起注意。對于集成運放芯片，要分清引腳關系，順序不可弄反。其供電采用正負12V電壓，要注意穩(wěn)壓電源的連接方式。此外，信號發(fā)生器的輸出電壓要調整合適（一般為3V），否則輸出波形在示波器上會發(fā)生失真；</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　通過本次光電子線路課程設計，即模擬濾波器設計，我掌握了濾波器設計

29、的</p><p>　　基本原理和設計方法，通過理論計算、計算機仿真以及實際電路的搭建，并加以調試過程，達到了較為理想的設計結果。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　感謝在此設計過程中給予我悉心指導的老師和熱情幫助的同學！</p><p><b>　　參考資料</b>&l

30、t;/p><p>　　【1】何兆湘.光電信號處理.華中科技大學出版社.2008</p><p>　　【2】Arthur B.Williams.電子濾波器設計.科學出版社.2008</p><p>　　【3】付文紅.EDA技術與實驗.機械工業(yè)出版社.2007</p><p>　　【4】徐天成.信號與系統(tǒng).電子工業(yè)出版社.2008</p>