RC有源滤波器设计

RC有源滤波器设计
RC有源滤波器设计

课程设计说明书

课题名称RC有源滤波器设计

专业名称班级

学生姓名

学生学号

指导老师

时间2009年下学期

前言

为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力,扎实基础理论,我们现初次进行模电课程设计。

本课程设计的编写是以实验研究为主线,以科学实验研究所运用的实验技术为主要内容,按照实验是什么,为什么,干什么,怎么干的逻辑思维体系和实验的构成要素(主体,手段,对象和目的)为教材内容展开。

过本课题的设计,培养学生掌握电子技术的科学实验规律,实验技术,测量技术等实验研究方法,使其具有独立实验研究的能力,以便在未来的工作中开拓创新。

本设计所涉及的知识:方案论证,产品说明,原理说明,安装工艺,调试与测试,焊接技术,元件清单,操作说明。

为了全面介绍科学实验研究的技术方法,在加强的直接实验方法的同时,力求使学生尽快掌握当前先进科学技术,本课题设计所用到的EWB,Protel99等技术的新手段,新工具。

本课题的设计达到的目的:除了使没有真正进行过电子技术实验的学生,通过课程设计,能够加深对电路理论知识的理解和掌握,更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法,解决实际问题能力。

在这次课程设计中,非常感谢老师及同学的帮助!

由于时间仓促及个人水平有限,本说明难免有错,敬请老师同学提出批评和指正。

设计者:

同组人员:

2009年12月底

目录

第一章绪论.........................................................4 1.1 有源滤波电路简介............................................4 1.2 本人的主要工作.................................................4第二章 RC有源滤波器的设计.....................................5 2.1二级RC有源低通滤波器设计 (5)

2.2 二级RC有源高通滤波器设计 (6)

2.3 二级RC有源带通滤波器设计.......................................7 2.4 原器件清单 (8)

第三章 RC有源滤波器的仿真、制作和测试 (8)

3.1 RC有源滤波器的仿真 (9)

3.1.1二级RC有源低通滤波器的仿真 (9)

3.1.2二级RC有源高通滤波器的仿真 (10)

3.1.3二级RC有源带通滤波器的仿真 (12)

3.2二级RC有源滤波器的制作 (13)

3.3 RC有源滤波器的测试 (14)

3.4 误差分析 (15)

第四章设计总结 (16)

4.1心得体会 (16)

4.2参考文献 (16)

第五章附录 (17)

5.1 RC有源滤波器的实物图 (17)

第一章绪论

1.1有源滤波电路简介

电子技术是当今高新技术的“龙头”,各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课,课程地显著特点之一是它的实践性。要想很好的掌握电子技术,除了掌握基本器件的原理,电子电路的基本组成及分析方法外,还要掌握电子器件及基本电路的应用技术,课程设计就是电子技术教学中的重要环节。本课程设计就是针对模拟电子电路这门课程的要求所做的,同时也将学到的理论与实践紧密结合。

滤波电路是一种能使有用频率信号通过,同时抑制无用频率成分的电路。滤波电路种类很多,由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。由于有源滤波器不用电感,体积小,重量轻,有一定的放大能力和负载能力而构成得广泛运用。由于受到集成运算放大器特性的限制,有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波电路有低通、高通、带通和带阻等电路。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能通过的电路,高通滤波电路则与低通滤波电路相反,带通滤波电路是指能同过某一段的信号能通过而该频率段之外的信号不能通过的电路,带阻铝箔电路与带通滤波电路作用相反。

本次课程设计的课题是RC有源滤波器,本课程设计将就RC有源滤波器的低通、高通和带通电路的设计方法、参数计算、元件选取、电路测试制作等做详细的介绍和说明。

1.2本人的主要工作

在本次RC有源滤波器的课程设计中,本人作为本组的主要负责人,负责了整个电路的设计和EWB的仿真及其他各个过程中的参与,包括购买元气件,万能板的制作和实物的焊接及电路的测试整个过程。

第二章RC有源滤波器的设计

2.1 二级RC有源低通滤波器设计

1、技术指标

低通滤波器:通带增益A UF=2;截止频率f H =2000Hz;U i=100mV;阻带衰减:不小于-20dB/10倍

2、二级RC有源低通滤波器设计

查阅资料谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社

145-154页的快速设计方法可得

①二级压控电压源低通滤波器的电路如下图2-1所示

②由式子 K=100/f H C, 公式(2-1)

当f H =2KHz时,取0.01uF,对应的参数K=5满足式子公式(2-1)的要求

③当A UF=2时,电容C1=C=0.01uF;K=1时,电阻R1=1.126KΩ,R2=2.250K

Ω,R3=6.752KΩ,R4=6.752KΩ。

④元器件参数的确定将上述电阻值乘以参数K=5,得

R=6.63 KΩ取标称值5.6KΩ+30Ω

R2=11.25 KΩ取标称值10KΩ+1.5KΩ

R1=Rf=33.76KΩ取标称值33KΩ+820Ω

图2-1二级RC有源低通滤波器电路图

2.2 二级RC有源高通滤波器设计

1、技术指标

高通滤波器:通带增益A=2;截止频率f=100Hz;U=100mV;阻带衰减:

2、二级RC有源高通滤波器设计

查阅资料谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社145-154页的快速设计方法可得

①二级压控电压源高通滤波器的电路如图2-2所示。

②由式子 K=100/f L C, 公式(2-1)

可得 f L =100Hz时,取0.1uF,对应的参数K=10满足公式(2-1)的要求

③当A UF=2时,电容C1=C=0.1uF;K=1时,电阻R=1.821KΩ,R2=1.125K

Ω,R1=Rf=2.782KΩ

④元器件参数的确定将上述电阻值乘以参数K=10,得

R=18.21KΩ称值9.1KΩ+9.1KΩ

R2=13.91KΩ称值13KΩ+910Ω

R1=Rf=27.82KΩ取标称值27KΩ+820KΩ

图2-2二级RC有源高通滤波器电路图

2.3 二级RC有源带通滤波器设计

1、技术指标

带通滤波器:通带增益A=2;截止频率f=1000Hz;U=100mV;阻带衰减:

2、二级RC有源带通滤波器设计

查阅资料谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社147-154页的快速设计方法可得

①二级压控电压源带通滤波器的电路如图2-3所示。

②由式子 K=100/f0 C, 公式(2-1)

可得 f0 =1KHz时,取0.02uF,对应的参数K=5满足公式(2-1)要求

③当A UF=2时,电容C1=C=0.02uF;K=1时,电阻R1=15.915KΩ,R2=2.332K

Ω,R3=1.166KΩ,R1=Rf=2.782KΩ

④元器件参数的确定将上述电阻值乘以参数K=5,得

R1=79.7KΩ取称值68KΩ+13KΩ

R2=11.66KΩ取称值10KΩ+1.5KΩ

R3=5.8 KΩ取标称值5.6KΩ+200Ω

R4=Rf=23.33KΩ取标称值22KΩ+240KΩ

图2-3二级RC有源带通滤波器电路图

2.4元器件清单

1、通过上面的设计可得滤波器的元器件参数清单如下表2-1所示

2、运算放大器的引脚排列

图2-4 uA741运算放大器的引脚排列图

第三章 RC 有源滤波器的仿真、制作和测试

3.1 RC 有源滤波器的仿真

RC 有源滤波器的仿真均采用EWB 软件进行仿真

3.1.1二级RC 有源低通滤波器的仿真

1、仿真步骤如下,

①打开EWB ,创建并保存画好电路图,如图3-1所示。 ②设置信号发生器;选择正弦波,输入U i =100mV 。

③打开波特图仪,设置并运行电路,调整波特仪中波形,观察截止频率及电压放大倍数UF A 并将数据和波形记录如图3-2所示!

其中二级RC 有源低通滤波器的UF A 和f H 的理论数据如公式(3-1)和公式(3-2)计算所得

21182.3382.3311

1=+=+

=+

ΩK K R Rf A UF

公式(3-1)

f H =

=

??Ω?Ω=

???0.01uF

0.01uF 11.5K 5.63K 1

21C

C1R21

21π

π

R 1978.1 Hz

公式(3-2)

通过仿真测试我们得到:

UF

A =2,f H =1.98KHz

仿真所得的波特图如下图3-3所示,通过下图下知滤波器的衰减速度为

-35.2dB/10倍频。

2、结论:通过仿真可得该设计基本满足设计指标的要求。

下图3-2为RC有源低通滤波器的仿真图

图3-1为RC有源低通滤波器的仿真电路图和波特图

图3-2 RC有源低通滤波器的波特图

3.1.2二级RC有源高通滤波器的仿真

1、仿真步骤如下,

①打开EWB,创建并保存画好电路图,如图3-3所示。

②设置信号发生器;选择正弦波,输入U i=100mV。

③打开波特图仪,设置并运行电路,调整波特仪中波形,观察截止频率及电压放大倍数

A并将数据和波形记录如图3-4所示!

UF

其中二级RC 有源高通滤波器的UF A 和f L 的理论数据如公式(3-1)和公

式(3-2)计算所得

21182.2782.2711

1=+=+

=+

ΩK K R Rf A UF

公式(3-1)

F L =

=

??Ω?Ω=

???0.1uF

0.1uF 13.91K 18.21K 1

21C

C1R21

21π

π

R 100Hz

公式(3-2)

通过仿真测试我们得到:

UF

A =2, f L =100Hz

仿真所得的波特图如下图3-3所示,通过下图下知滤波器的衰减速度为-33.5dB/10倍频。

2、结论:通过仿真可得该设计基本满足设计指标的要求。 下图3-4为RC 有源低通滤波器的仿真

图3-3为RC 有源高通滤波器的仿真电路图和波特图

图3-4为RC 有源高通滤波器的仿真波特性图

3.1.3二级RC 有源带通滤波器的仿真

1、仿真步骤如下,

①打开EWB ,创建并保存画好电路图,如图3-5所示。 ②设置信号发生器;选择正弦波,输入U i =100mV 。

③打开波特图仪,设置并运行电路,调整波特仪中波形,观察截止频率及电压放大倍数UF A 并将数据和波形记录如图3-6所示!

其中二级RC 有源带通滤波器的UF A 和f O 的理论数据如公式(3-1)和公式(3-2)计算所得

21124.2224.2214

51=+=+

=+

ΩK K R R A UF

公式(3-3)

F O =

?

?

?

??Ω+Ω???=?

?? ??+??? 5.8K 171K 10.01uF 0.01uF 11.5K 1

213111

C C1R21

21Ωπ

π

R R =1000Hz 公式(3-4)

通过仿真测试我们得到:

UF

A =2, f 0=1KHz

仿真所得的波特图如下图3-6所示,通过下图下知滤波器的衰减速度为

-42.2dB/10倍频。

2、结论:通过仿真可得该设计基本满足设计指标的要求。

下图3-6 和3-7为RC 有源带通滤波器的仿真图

图3-6为RC 有源带通滤波器的仿真电路图和波特图

图3-7为RC有源带通通滤波器的仿真电路波特图

3.2二级RC有源滤波器的制作

1、制作过程中用到的工具和仪器如下所示:

万能板、电烙铁、镊子、焊锡丝、导线、尖嘴钳、数字万用表等等!

2、制作过程:

①先在纸上画好电路图,电路图的大小和实物大小应相差不大,进行这一步目的为了确定元器件在万能板大概位置,便于焊接!

②元器件的安装。安装一个元器件,先要用尖嘴钳将其引脚成型,然后用镊子把引脚放入万能板.高度要适中,符合电气标准.然后再进行焊接,完毕后,要用万用表测量元器件引脚和板之间是否接触良好,是否为虚焊。然后再这个方法一次安装每一个元器件。

③安装完每个元器件后,整个电路基本差不多制作完成,此时应对照所设计的电路图用万用表检查整个电路是否连接好,电路是否接正确。检查确认无误后,二级RC有源滤波器的制作也就完成了。

3.3 RC有源滤波器的测试

1、静态调试

当连好电路板的线路时,先不要急着通电,而因该从以下几个方面进行检测:

1) 对照原理图,用万用表一一检查线路的各个接口是否接通,是否有短路、断路或漏接的现象,如果有,因该及时改好电路连线。

2) 对照原理图,检查各元件是否接正确。

2、动态测试

1)在实验室接通U i=100mV的正弦信号,用数字万用表对所设计的电路实物进行测试,得到Uo输出电压为。

2)然后再进行对实物f H f L f0 分别进行测量并记录数据。

表3-1 理论数据、仿真数据和测试数据对比表

3.4 误差分析

1、误差计算:

①低通:仿真结果f H %=|1.98K-2.00K|/2.00K=1.0%

理论结果f H %=|1.97K-2.00K|/2.00K=1.5%

②高通:理论结果f L、仿真结果均与设计要求结果基本无相差。

③带通:理论结果f0、仿真结果均与设计要求结果基本无相差。

2、误差分析:

综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:

①元件本身存在误差,购买时本身与设计的理论值存在误差;

②焊接时,焊接点存在微小电阻;

③万用表本身的准确度而造成的系统误差。

④读数误差

第四章设计总结

4.1 心得体会

这次模拟电子技术课程设计锻炼了我的单独思考能力和动手能力,是一次具有实用性的设计。总的来说这次设计基本达到设计要求。

通过这次课程设计,加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中,我们通过查阅资料《电子线路设计·实验·测试》中的快速设计方法,设计出了二级RC有源低通、高通和带通滤波器的电路图,和各个滤波器的元器件参数的确定。这个设计总共使用了uA741芯片三个,0.01uF,0.1uF,0.02uF

电容各两个,电阻不同阻值若干个。

在设计过程中主要运用到有关滤波器的知识点有:截止频率f H f L,中心频率f0,带宽BW,电压增益A U,品质因素Q,输出波形的幅频特性和波图等等知识点。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的

通过此次课程设计,学到了很多课内学不到的东西,比如独立思考解决问题,出现差错的随机应变,和与人合作共同提高,都受益非浅,为以后的工作、学习都打下了比较坚实的基础。

4.2 参考文献

⑴胡宴如. 模拟电子技术. 高教出版社. 五版. 2008. 177~181

⑵谢自美.电子线路设计·实验·测试. 华中科技大学出版社.

三版.2006.145~154

⑶董平. 电子技术实验. 电子工业出版社.北京. 2003. 65~69

⑷叶建波余志强. EDA技术——Protel 99SE & EWB 5.0.

清华大学出版社.2005. 56~65

.

第五章附录

5.1 RC有源滤波器的实物图

图5-1 RC有源低通通滤波器实物图

图5-2 RC有源高通滤波器实物图

图5-3 RC有源带通滤波器实物图

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