1、 2013級模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 高階有源帶通濾波器 課程設(shè)計(jì)評定意見指導(dǎo)老師評閱意見指導(dǎo)老師簽字：指導(dǎo)老師評定成績教研室意見教研室主任簽字：模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 適應(yīng)專業(yè)：自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、通信工程、電子信息工程 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱高階有源帶通濾波器內(nèi)容及任務(wù)1、 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一種高階RC有源帶通濾波器電路,中心頻率1KHZ,通頻帶800HZ1200HZ，通帶內(nèi)增益23倍。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、電路設(shè)計(jì)方案比較；2、電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇；3、單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析；4、實(shí)物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。擬達(dá)到

2、的要求或技術(shù)指標(biāo)1、 基本要求與指標(biāo)1、中心頻率1KHZ,通頻帶800HZ1200HZ；2、通帶內(nèi)增益23倍； 二、擴(kuò)展要求與指標(biāo)1、幅頻特性、相頻特性曲線盡可能接近理想化；2、能采用另一種方案設(shè)計(jì)RC有源帶通濾波器。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.156.19下達(dá)任務(wù)書；針對課題任務(wù)書，收集資料。2015.6.206.21針對課題任務(wù)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。2015.6.226.23進(jìn)行實(shí)物的制作與調(diào)試。2015.6.246.25進(jìn)行說明書書寫。2015.6.26實(shí)物答辯與說明書收集。主要參考資料1熊幸明.電工電子實(shí)訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2曹才開.電路與電子技術(shù)試驗(yàn)M.長沙：中

3、南大學(xué)出版社，3謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試（第三版)M.武漢：華中科技4康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M.北京：華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編, 高等教育出版社，指導(dǎo)教師意見簽名：年 月 日教研室意見簽名：年 月 日模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 適應(yīng)專業(yè)：自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、通信工程、電子信息工程 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱直流穩(wěn)壓電源內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，當(dāng)輸入為有效值220V的交流電壓時(shí)，能產(chǎn)生12V、9V 、5V三組直流電壓輸出。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、電路設(shè)計(jì)方案比較；2、電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇；3、單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析；4、實(shí)物制作

4、；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)2、 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)1、要求輸入電壓為有效值220V、50HZ的市電交流電壓，電源輸出電壓為12V、9V 、5V。2、最大輸出電流為Iomax=500mA，紋波電壓VOP-P5mV，穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。二、擴(kuò)展要求與指標(biāo)1、能顯示電源輸出電壓值，00.0-12.0V； 2、要求有短路過載保護(hù)。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6.156.19下達(dá)任務(wù)書；針對課題任務(wù)書，收集資料。2015.6.206.21針對課題任務(wù)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。2015.6.226.23進(jìn)行實(shí)物的制作與調(diào)試。2015.6.246.25

5、進(jìn)行說明書書寫。2015.6.26實(shí)物答辯與說明書收集。主要參考資料1熊幸明.電工電子實(shí)訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2曹才開.電路與電子技術(shù)試驗(yàn)M.長沙：中南大學(xué)出版社，3謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試（第三版)M.武漢：華中科技4康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M.北京：華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編, 高等教育出版社，指導(dǎo)教師意見簽名：年 月 日教研室意見簽名：年 月 日 摘 要 濾波器在現(xiàn)實(shí)生活中非常重要，運(yùn)用廣泛，在電子工程、通訊工程、自動(dòng)化控制等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成運(yùn)放可以很方便地構(gòu)成各種濾波器。用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的濾波器與其他濾波

6、器相比，穩(wěn)定性和實(shí)用性等性能指標(biāo)，有了很大的提高。濾波器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途，通過對濾波器的原理以及結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)通帶為800Hz1200Hz，增益為23倍，中心頻率為1000Hz的帶通濾波器。確定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)選用UA741芯片作為電路的放大器，計(jì)算出該方案需要的電阻、電容、運(yùn)算放大器參數(shù)，再用Multisim對電路進(jìn)行仿真，觀察電路的幅頻特性曲線，然后用AD軟件制作帶通濾波器電路板，制作完成后，再對電路板進(jìn)行調(diào)試，誤差分析，把理論值與測試值進(jìn)行對比，在誤差允許的范圍內(nèi)，證明此次設(shè)計(jì)的濾波器是成功的。最終得到一個(gè)滿足課程設(shè)計(jì)的高階有源帶通濾波器。關(guān)鍵詞：有源；帶通；濾

7、波器；UA741；幅頻特性曲線 目 錄 1概述11.1帶通濾波器的簡介和功能11.2濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性11.2.1二階RC濾波器的傳遞函數(shù)11.2.2 濾波器的頻率特性31.3 工作原理41.3.1高階濾波器的工作原理41.3.2直流穩(wěn)壓電源的工作原理41.4 濾波器的主要特性指標(biāo)51.4.1特征頻率51.4.2增益與衰減51.4.3阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)52濾波器設(shè)計(jì)方案72.1高階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)方案72.1.1設(shè)計(jì)思路72.1.2 確定設(shè)計(jì)原理圖82.1.3二階低通濾波電路92.1.4二階高通濾波電路102.2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)112.2.1直流穩(wěn)壓電源的工作原理112.2.2直

8、流穩(wěn)壓電源電路的選擇與分析123設(shè)計(jì)電路元件參數(shù)計(jì)算133.1濾波器元件參數(shù)選取133.1.1二階低通部分參數(shù)計(jì)算133.1.2二階高通部分參數(shù)計(jì)算133.2直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計(jì)算144仿真測試和數(shù)據(jù)分析154.1仿真原理電路圖154.2幅頻特性曲線分析154.3仿真誤差分析165 PCB板的制作與調(diào)試18 5.1PCB排板18 5.2焊接與調(diào)試18 5.2.1儀器與設(shè)備18 5.2.2調(diào)試18 5.3誤差分析19結(jié)束語20參考文獻(xiàn)21致 謝22附 錄23 附錄A 元器件清單23 附錄B 電路原理圖24 附錄C 電路PCB圖25 附錄D 實(shí)物圖26 1概述1.1帶通濾波器的簡介和功能 濾波器是一

9、種只傳輸指定頻段信號(hào)，抑制其他頻段信號(hào)的電路。 濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩種： 無源帶通濾波器：由電感L、電容C及電阻R等無源元件組成。 有源帶通濾波器：有源濾波器一般由集成運(yùn)放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小，性能穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大和緩沖作用，利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號(hào)，衰減無用頻率的信號(hào)，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比和選頻的目的，因而有源濾波器廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。 從功能來看有源濾波器可分為：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）全

10、通濾波器（APF）。1.2濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性1.2.1二階RC濾波器的傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)用來描述濾波電路的特性。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號(hào)電壓和電流拉氏變換之比。對于任意復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，均可分解為若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成。因?yàn)槿我鈧€(gè)線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積。高階有源低通濾波電路如圖1所示，由圖可知，它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。 圖1 二階RC有源低通濾波電路 同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即 。 （1） 考慮到集成運(yùn)放的同相輸入端電壓為： (2) 電路中由KCL可得 (3)

11、 由式（2），（3）聯(lián)立得 （4） 令 (5) (6) 由（4），（5），（6）聯(lián)立得二階RC低通濾波器的傳遞函數(shù)為式（7）： （7） 同理可得二階RC高通濾波電路的傳遞函數(shù)為式（8）；高階有源高通電路如圖2所示： （8） 帶通濾波器的傳遞函數(shù)為式（9）；帶通濾波電路電路如圖3所示： （9） 圖2 二階RC高通濾波電路 圖3 二階RC有源帶通濾波電路1.2.2 濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系。若濾波器的輸入信號(hào)是角頻率為的單位信號(hào)，濾波器的輸出會(huì)隨輸入信號(hào)頻率的不同而變化，稱為濾波器的頻率特性。頻率特性是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值稱為幅頻特性，其幅角表示輸出信

12、號(hào)的相位相對于輸入信號(hào)相位的變化，稱為相頻特性。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器RC節(jié)數(shù)越多，電路調(diào)試越困難。低通濾波器的幅頻特性曲線如圖4所示，帶通濾波器的幅頻特性曲線如圖5所示。高通濾波器的幅頻特性曲線如圖6所示，課程小組的這次課程設(shè)計(jì)，采用一個(gè)二階低通濾波器串聯(lián)一個(gè)二階高通濾波器構(gòu)成一個(gè)高階帶通濾波器。 圖4低通幅頻特性曲線 圖5通帶幅頻特性曲線 圖6高通幅頻特性曲線1.3 工作原理1.3.1高階RC濾波器的工作原理一個(gè)理想的濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通道，在通帶沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉。另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍內(nèi)完

13、成。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能將期望頻率范圍的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所需要的帶通外還有一個(gè)被衰減但沒有被隔離的范圍。這通帶稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能與設(shè)計(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。1.3.2 直流穩(wěn)壓電源的工作原理 直流穩(wěn)壓電源包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成，電路輸入220V的電壓，通過變壓器變壓后，再將其整流成單向脈沖電壓，因?yàn)檎鞒鰜淼拿}動(dòng)成分比較大，所以需要將

14、其通過濾波電路進(jìn)行濾波，將脈動(dòng)成分濾掉。得到比較平滑的直流電流，但是此時(shí)得到的電壓值會(huì)受到電網(wǎng)電壓的被動(dòng)和負(fù)載的影響，得到的電壓是不穩(wěn)定的，所以必須將不穩(wěn)定的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理，最后得到穩(wěn)定的直流電壓。1.4 濾波器的主要特性指標(biāo)1.4.1特征頻率通帶截頻為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。阻帶截頻為阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率為信號(hào)功率衰減到(約為3dB)時(shí)的頻率，在很多情況下，常以作為通帶或阻帶截頻。固有頻率為電路沒有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。1.4.2增益與衰減濾波器在通帶

15、內(nèi)的增益KP并非為常數(shù)。對于低通濾波器，通帶增益一般是指處的增益；對于高通濾波器，通帶增益一般是指時(shí)的增益；對于帶通濾波器，通帶增益一般是中心頻率處的增益（即處的增益）此次課程小組設(shè)計(jì)的高階帶通濾波器的增益，在要求在之間。1.4.3阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)表征了濾波器對角頻率為信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰減的一項(xiàng)指標(biāo)。的倒數(shù)稱為品質(zhì)因素，是衡量帶通和帶阻濾波器的頻率選擇性的一個(gè)重要指標(biāo)?？梢宰C明： （10） 電路的品質(zhì)因數(shù)有兩種測量方法，一是根據(jù)公式測定，與分別為諧振時(shí)電容器與電感線圈上的電壓；另一種方法是通過測量諧振曲線的通頻帶寬度，再根據(jù) 求出值。式中為諧振頻率，當(dāng)與是失諧時(shí)，即

16、輸出電壓的幅度下降到最大值的倍時(shí)的上、下頻率點(diǎn)。值越大，曲線越尖銳，通頻帶越窄，電路的選擇性越好，其幅頻特性曲線如圖7所示： 圖7 幅頻特性曲線2濾波器設(shè)計(jì)方案2.1高階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)方案2.1.1設(shè)計(jì)思路 考慮到實(shí)用性，帶負(fù)載能力要強(qiáng)，應(yīng)滿足輸入阻抗足夠高，輸出阻抗足夠小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，濾波器的帶寬范圍從，增益，阻帶衰減頻率的帶通濾波電路。本電路可以采用一個(gè)二階低通和一個(gè)二階高通的濾波電路級串聯(lián)而成。 由圖8可看出，當(dāng)值大于0.707時(shí)，在巴特沃斯低通高通電路階數(shù)n與增益G的關(guān)系如表1中可知它的增益只能達(dá)到1.586，一個(gè)二階低通與一個(gè)二階高通電路進(jìn)行級聯(lián)增益為2.515，所以將帶通濾波

17、電路看成兩部分，分別求出兩部分電路元件參數(shù)，也分成兩部分即兩部分相乘， ，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 表1 巴特沃斯低通高通電路階數(shù)n與增益G的關(guān)系 階數(shù)n 2 4 6 8增益一階 1.586 1.152 1.068 1.038二階 2.235 1.586 1.337三階 2.483 1.889四階 2.601 圖8二階低通濾波電路的幅頻響應(yīng)曲線2.1.2 確定設(shè)計(jì)原理圖 本次設(shè)計(jì)采用二階低通濾波電路級聯(lián)二階高通濾波電路組成，濾波電路中兩個(gè)運(yùn)算放大器為UA741芯片。高階有源帶通濾波器原理仿真圖如圖9所示；帶通濾波器設(shè)計(jì)原理圖如圖10所示；設(shè)計(jì)電路的系統(tǒng)框圖如圖11所示。圖9高階有源帶通濾波器原理仿真

18、圖 圖10帶通濾波器設(shè)計(jì)原理高通濾波器低通濾波器帶通濾波器 圖11系統(tǒng)原理框圖 用到的UA741芯片的管腳圖如圖12所示，其中UA741芯片的1腳和5腳為調(diào)零端，2腳為反向端，3腳為同相端，4腳接負(fù)電源，7腳接正電源，6腳為輸出端，8腳懸空。實(shí)物如圖13所示。 圖12 UA741管腳圖 圖13 UA741實(shí)物圖2.1.3二階低通濾波電路 電路前半部分采用壓控電壓源二階低通濾波電路過濾通帶外高頻信號(hào)，電路中同時(shí)引入了正負(fù)反饋。當(dāng)信號(hào)趨于零時(shí)，由于的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號(hào)趨于無窮大時(shí)，由于的電抗趨于零，因而趨于零，只要正反饋引入得當(dāng)，就既可能在時(shí)使電壓放大倍數(shù)增大，又不會(huì)因正反饋過

19、強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。同相輸入端電壓則由集成運(yùn)放和和組成的電壓源控制。低通濾波電路如圖14（a)所示，示波器所顯示的幅頻特性曲線如圖14（b）所示。 取,。 則通帶放大倍數(shù) 。 （11） 設(shè)，則低通濾波電路的傳遞函數(shù)如式（12） （12） 所 所以只有當(dāng)3時(shí)，電路才能正常工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。若取品質(zhì)因數(shù)： （13） 則 =1.586 ,符合3這一條件，進(jìn)而-10.586。 （a）低通部分濾波器電路圖 （b）低通示波器的幅頻特性曲線 圖14 高階低通部分濾波器電路圖和低通的幅頻特性曲線2.1.4二階高通濾波電路由濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求可知，帶通范圍是，所以所設(shè)計(jì)的高通濾波器的低邊截止角頻率為。電路

20、前后半部分采用壓控電壓源二階高通濾波電路過濾通帶外低頻信號(hào)。高通濾波電路與低通濾波電路具有對偶性，將相應(yīng)的電容換成電阻，電阻換成電容，就可以得到高通濾波電路。高通濾波電路如圖15（a）所示，示波器所顯示的幅頻特性曲線如圖15 (b)所示。 取，。 則通帶放大倍數(shù)。 設(shè)，同樣只有當(dāng)3，電路才能正常工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。取品質(zhì)因數(shù)Q=0.707, 則=1.586 ,符合3這一條件，進(jìn)而-10.586。 （a) 高通濾波器設(shè)計(jì)電路圖 （b) 高通濾波器幅頻特性曲線 圖15高通濾波器的設(shè)計(jì)電路和幅頻特性曲線2.2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 2.2.1直流穩(wěn)壓電源的工作原理 直流穩(wěn)壓電源包括變壓器，整流，濾

21、波，穩(wěn)壓電路，負(fù)載組成，其原理框圖如圖16所示： 圖16直流穩(wěn)壓電源原理框圖電路中，首先將電網(wǎng)電壓利用變壓器得到合適的交流電壓，其次將降壓的交流電通過整流電路變成單向的脈沖電壓，這種直流電的脈動(dòng)成分比較大，往往需要利用濾波電路將其中的脈動(dòng)成分濾掉。得到比較平滑的直流電，此時(shí)的電壓值還會(huì)受到電網(wǎng)電壓的被動(dòng)和負(fù)載變化的影響，這樣的直流電源是不穩(wěn)定的，最后加上穩(wěn)壓電路部分，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定，從而得到穩(wěn)定的直流電壓。2.2.2直流穩(wěn)壓電源電路的選擇與分析 單相橋式整流電路與半波整流整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高

22、，變壓器利用率高，脈動(dòng)小等有點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)中選用單向橋式整流電路，橋式整流過程如圖17所示 圖17橋式整流電路 濾波電路中，經(jīng)整流后的電壓仍具有較大的交流分量，必須通過濾波電路將交流分量濾掉，盡量保留其輸出中的直流分量，才能獲得比較平滑的直流分量，可以利用電容兩端電壓不能突變或經(jīng)電感的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容與負(fù)載并聯(lián)，或?qū)㈦姼信c負(fù)載串聯(lián)就能起到濾波的作用。 穩(wěn)壓電路中由于濾波后的直流電受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載電流變化的影響（T的影響）很難保證輸出電流電壓的穩(wěn)定。所以必須給濾波電路和負(fù)載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進(jìn)一步穩(wěn)定，其輸出整流波形如圖18所示。 圖18 直流穩(wěn)壓電源整個(gè)過

23、程的波形圖3設(shè)計(jì)電路元件參數(shù)計(jì)算3.1濾波器元件參數(shù)選取3.1.1二階低通部分參數(shù)計(jì)算 根據(jù)截止頻率從表2中選定一定電容C的標(biāo)稱值， 表2 電容參數(shù)表 設(shè)定低通和高通的 由公式: （15） （16） 得 （17） 所以低通濾波器電路中，因此 由于增益，且運(yùn)放同相端與反相端的對地直流電阻相 等 （18） 由式（18）可得，。3.1.2二階高通部分參數(shù)計(jì)算 根據(jù)截止頻率從表2中選定一定電容C的標(biāo)稱值 ，由得高通濾波器電路中,所以得。由于增益,且運(yùn)放同相端與反相端的對地直流電阻相等得 （19） 由式(19)可得，。3.2直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要得到+12V和-12V的電 壓供給高階有源

24、帶通濾波器使用。 設(shè)計(jì)電路中取Vz=4v， 。由 (20) 得 在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)的直流電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓U2的有效值Ui的關(guān)系如式（21）所示： （21） 在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓如式（22）所示： （22） 流過每只二極管的平均電流如式（23）所示： （23） 其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿足式（24）： （24） 其中：T = 20ms是50Hz交

25、流電壓的周期。電路要求輸入電壓為有效值220V、50HZ的市電交流電壓，電源輸出電壓為12V、9V 、5V。最大輸出電流為，紋波電壓，穩(wěn)壓系數(shù)。 (25) 求解穩(wěn)壓系數(shù)的公式如式（26）所示 （26）求解濾波電容的公式如式（27）所示： （27） 聯(lián)立式（20）（27）得參數(shù)值。其中濾波電容取，耐壓值為。濾波電路部分的電阻，,，。4仿真測試和數(shù)據(jù)分析4.1仿真原理電路圖 高階有源濾波器不用電感元件，它重量輕、體積小、調(diào)試方便，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面,但因受運(yùn)算放大器的頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻，此次設(shè)計(jì)的仿真原理電路圖如圖19所示： 圖19 仿真原理電路圖 4.2幅頻特

26、性曲線分析通過仿真測試增益最高點(diǎn)以及兩個(gè)點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性分析。如圖20所示，為增益最高點(diǎn)時(shí)的幅頻特性。此時(shí)頻率，增益到最大時(shí)是。基本符合設(shè)計(jì)要求，接下來開展后續(xù)測試。 圖20 濾波器中心頻率f=1000Hz的幅頻特性曲線 測試下限頻率，幅頻特性如圖21所示，左邊的點(diǎn)，即高階有源帶通濾波器的下限頻率點(diǎn)。此時(shí)，增益為，誤差較大。 圖21高階帶通濾波器的下限頻率f=800Hz時(shí)的幅頻特性曲線然后測試右邊點(diǎn)，即上限頻率點(diǎn)。如圖22所示，此時(shí)，增益為，誤差也較大。 圖22高階帶通濾波器上限頻率f=1200Hz時(shí)的幅頻特性曲線4.3仿真誤差分析仿真結(jié)果與理論值存在誤差，通過課本及網(wǎng)上查閱的資料得到一

27、個(gè)結(jié)論：有一個(gè)高通濾波器和低通濾波器串接而成的高階帶通濾波器增益存在衰減，一般衰減左右，原因是兩個(gè)電路存在相互影響而引起的。為了驗(yàn)證引起誤差的原因是兩個(gè)電路相互影響引起的，將低通部分和高通部分分開來進(jìn)行仿真測試，看是否符合設(shè)計(jì)要求。二階低通濾波器的幅頻特性曲線如圖23所示，在幅頻特性曲線中可以看出，當(dāng)增益下降到低通濾波器的點(diǎn)時(shí)，頻率為，符合設(shè)計(jì)要求。 圖23 低通濾波器仿真結(jié)果二階高通濾波器的幅頻特性曲線如圖24所示，在幅頻特性曲線中可以看出當(dāng)增益下降到高通濾波器的點(diǎn)時(shí)，頻率為，符合設(shè)計(jì)要求。 圖24 高通濾波器仿真結(jié)果通過將單獨(dú)的一個(gè)二階低通和二階高通濾波器進(jìn)行仿真，結(jié)果和理論相符，但是將兩

28、個(gè)濾波電路串接到一起，再測高階帶通濾波器的幅頻特性，存在誤差很大。圖23、圖24是對高階帶通濾波器的高通和低通部分進(jìn)行測試得到的仿真圖。比較圖25、圖26不難看出，低通和高通部分都出現(xiàn)了衰減,造成實(shí)驗(yàn)誤差。 圖25 高階帶通濾波器中低通部分的幅頻特性 圖26 高階帶通濾波器中高通部分的幅頻特性5 PCB板的制作與調(diào)試5.1 PCB排板 在確定電路并確定元件參數(shù)后，根據(jù)仿真原理圖，在Altium Dsigner進(jìn)行元件的封裝，再畫出完全正確的原理圖導(dǎo)入PCB庫，進(jìn)行PCB板的布線。但是由于本次實(shí)驗(yàn)所需的一些元器件買不到，尤其是不常見阻值的電阻，所以用電位器來代替電阻，方便對電路的調(diào)試。5.2焊接

29、與調(diào)試5.2.1儀器及設(shè)備 萬用電表、毫伏表、信號(hào)發(fā)生器、模擬示波器、直流穩(wěn)壓電源，電烙鐵，焊錫絲等。5.2.2調(diào)試布好線，做好印制板接下來就是焊接電路了。首先焊接UA741芯片，再按照電路把剩余的元件焊接上去。由于本實(shí)驗(yàn)的元件比較少，焊接起來很快，整個(gè)電路的焊接很快就完成了。下一步進(jìn)行調(diào)試，在3407實(shí)驗(yàn)室把做好的高階帶通濾波器接到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器上，示波器上A、B通道的波形很快就出來了。其中圖27是f=753Hz800Hz時(shí)的波形；圖28是增益最大，f=1016Hz1000Hz時(shí)的波形；圖29是f=1359Hz1200Hz時(shí)的波形。誤差分析結(jié)果見表3所示。 圖27 下限頻率f=753Hz時(shí)的波形 圖28中心頻率f=1016Hz時(shí)的波形 圖29 上限頻率f=1359Hz時(shí)的波形5.3誤差分析 高階有源帶通濾波器頻率和增益的誤差分析如表3所示： 表3 誤差分析表 頻率 增益