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畢業(yè)設計_二階rc有源濾波器的設計-wenkub

2022-12-12 20:29:22 本頁面
 

【正文】 F 的幅頻特性。當 upA≥ 3時, Q=∞,有源濾波器自激。圖 32( b)為二階低通濾波器幅頻特性曲線。任何高階濾波器均可以用較低的二階 RC有濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。根據對頻率范圍的選擇不同,可分為低通 (LPF)、高通 (HPF)、帶通 (BPF)等濾波器,它們的幅頻特性如圖 31 所示。一般從選定電容器入手,因為電容標稱值 的分檔較少,電容難配,而電阻易配,詳見附錄清單。 如果濾波器的輸入信號較小,例如在 10mV 以下,則選低漂移運放。當要求的帶外衰減特性為 mdB每倍頻程(或 mdB 每十倍頻程)時,則取級數(shù) n應滿足 n大于等于 m/6(或 n大于等于 m/20),根據帶外衰減特性的要求,我選擇二階濾波器。 級數(shù)選擇 一階濾波器電路最簡單,但帶外傳輸系數(shù)衰減慢,一般在對帶外衰減性要求不高的場放大器 RC 網絡 反饋網絡 4 合下選用 。濾波器的技術指標有通帶和阻帶之分,通帶指標有通帶的邊界頻率(沒有特殊的說明時一般為3dB 截止頻率),通帶傳輸系數(shù)。 方案選擇 濾波器在通信測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 設計技術指標 (1) 設計二階 RC 有源低通濾波器:通帶增益 AUF=;品質因數(shù) Q=;截止頻率fH =400Hz;阻帶衰減:不小于︳ 40dB/10oct |; (2) 設計二階 RC 有源高通濾波器:通帶增益 AUF=;品質因數(shù) Q=;截止頻率fL =2kHz;阻帶衰減:不小于︳ 40dB/10oct |; (3) 設計二階 RC 有源帶通濾波器:通帶增益 AUF=4;中心頻率: fO =;帶寬 :; 阻帶衰減:不小于︳ 40dB/10oct |。這樣容易集成,更重要的是提高了濾波器的精度,因為有源 C濾波器的性能只取決于電容之比,與電容絕對值無關。 有源濾波器的發(fā)展概況及現(xiàn)狀 1965 年單片集成運算放大器的問世,為有源濾波器開辟了廣闊的前景; 70 年代初期,有源濾波器發(fā)展引人注目, 1978 年單片 RC 有源濾波器問世,為濾波器集成邁進了可喜的一步。濾波器是一種只傳輸指定頻段信號,抑制其它頻段信號的電路。有源濾波器是由集成運放、 R、 C組成,其開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高,輸出阻抗又低,構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用,但因受運算放大器頻率限制,這種濾波器主要用于低頻范圍。本次畢業(yè)設計主要是在所學《模擬電子技術基礎》、《集成電路》等專業(yè)知識的基礎上研究和設計幾種典型的二階有源濾波電路:巴特沃斯二階有源低通濾波器、巴特沃斯 二階有源高通濾波器、二階有源帶通濾波器,研究和設計其電路結構、傳遞函數(shù),并對有關參數(shù)進行計算,再利用 multisim 軟件進行仿真,組裝和調試各種有源濾波器,探究其幅頻特性。濾波器按元件分類可分為無源濾波器與有源濾波器等,有源濾波器一般由集成運放與 RC 網絡構成,它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,同時,由于集成運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與緩沖作用。由于運放的增益和相移均為頻率的函數(shù),這就限制 了 RC有源濾波器的頻率范圍,一般工作頻率為 20kHz 左右,經過補償后,工作頻率也限制在 100kHz 以內。 由 RC 有源濾波器為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器,體積小, Q值可達 1000,克服了 RLC 無源濾波器體積大, Q值小的缺點 。 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 3 第二章 總方案設計 方案框圖 圖 21 RC 有源濾波總框圖 各部分電路的作用 RC 網絡的作用 在電路中 RC 網絡起著濾波的作用,濾掉不需要的信號,這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用,通常主要由電阻和電容組成。一個理想的濾波器應在要求的頻帶內具有均勻而穩(wěn)定的增益,而在通帶以外則具有無窮大的衰減。阻帶指標為帶外傳輸系數(shù)的衰減速度(即 帶沿的陡變)。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感,在這點上它不如壓控電壓源型二階濾波器。 運放的要求 在無特殊要求的情況下 ,可選用通用型運算放大器。如果濾波器工作于超低頻,以至使 RC網絡中電阻元件的值超過 100kΩ,則應選低漂移高輸入阻抗的運放。 電阻的選擇 :根據電容的確定和規(guī)定的截止頻率和帶內增益以及參數(shù)計算得的結果和市場上所出售的情況而選擇,詳見附錄清單。 由于具有理想幅頻特性的濾波器很難實現(xiàn),只能用實際的幅頻特性逼近。 ( a)低通 ( b)高通 (c) 帶通 圖 31 濾波電路的幅頻特性示意圖 有源濾波器的傳輸函數(shù) 表 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 —— 帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率 BW—— 帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通 帶通 6 單元電路的設計 二階 RC 有源低通濾波器 (LPF)的設計 ( 1)低通濾波器特性 低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號 。 (a)電路圖 (b)頻率特性 圖 32 二階低通濾波器 ( 2)電路性能參數(shù) 二階低通濾波器的通帶增益 截止頻率,它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。由于將 接到輸出端,等于在高頻端給 LPF 加了一點正反饋,所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高,甚至可能引起自激。 (a) 電路圖 (b) 幅頻特性 圖 33 二階高通濾波器 ( 2)電路性能參數(shù): 二階高通濾波器的通帶增益 截止頻率,它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 圖 33( b)為二階高通濾波器的幅頻特性曲線, 它與二階低通濾波器的幅頻特性曲線有“鏡像”關系。 (a) 帶通濾波器原理框圖 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 9 ( b)電路圖 (c)幅頻特性 圖 24 二階帶通濾波器 ( 2)電路性能參數(shù) Aup=Aup1+Aup2 二階帶通濾波器的通帶增益 fH=1/(2π R1C1) 二階低通濾波器的截止頻率 FL=1/(2π R2C2) 二階高通濾波器的截止頻率 F0=( fH+fL) /2 中心頻率 Q=f0/(fHfL) 品質因數(shù),其大小影響濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀 ( 3)參數(shù)計算: 從圖 24 中我們知道此帶通濾波器是由高通和低通濾波器串聯(lián)而成,設其頻帶為B=800Hz—— ,其中高通濾波器的截止頻率為帶通濾波器的上限頻率,低通濾波器的截止頻率為帶通濾波器的下限頻率,設電壓增益 Aup=4,則高通和低通濾波器的電壓增益各為 Aup=2。 Multisim 是一種優(yōu)秀而易學的 WDA(電子設計自動化)軟件,與其他仿真分析軟件相比, EWB 的最顯著特點就是提供了一個操作簡便且與實際相似的虛擬實驗平臺。 應用 Multisim,便于實現(xiàn)邊學 邊練的教學模式,使“電子技術”課程的學習變得更有趣而容易。其中 R2, R3 均為 39 kΩ, C1, C2均為 10nF。 42 利用示波器得到的二階低通濾波器電路的輸入輸出波形 圖 42為輸入信號頻率為 1 kHz,幅度為 12 V 時二階低通濾波器電路的輸入輸出情況。幅度大的為輸入信號,幅度小的為輸出信號。 調節(jié)輸入頻率,使之分別為 800 Hz, 600 Hz, 400 Hz, 300 Hz, 200 Hz, 150 Hz, 1 Hz。參數(shù) 設置如下:起始頻率為 10Hz,終止頻率為 10MHz,掃描方式使用十進制,縱坐標以 dB為刻度,在 Output variables 中選擇輸出節(jié)點,然后點擊 simulate 進行仿真分析,得到電路的幅頻特性曲線如圖所示 : 圖 44 二階低通濾波器交流小信號分析圖 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 13 二階高通濾波器 圖 45 二階高通濾波電路 電路結構如圖 45 所示,此電路上半部分是一個同相比例放大電路,由兩個電阻 R1,RF和一個理想運算放大器構成。電路由一個幅度為 12V,頻率可調的交流電壓源提供輸入信號。圖中橫坐標為時間,縱坐標為電壓幅度。 很顯然,輸出信號的頻率與輸入信號一致,說明二階低通濾波器電路不會改變信號頻率。由虛擬示波器得到輸入頻率為 2kHz 以上時,電路的放大作用明顯,而小于 2kHz 時,波形開始逐漸被衰減,這說明截止頻率 f0 接近 2kHz. 我們發(fā)現(xiàn),僅通過虛擬示波器分析,既很難得出 f0 的準確值,也不能直觀看出輸入信號的頻率對電路放大性能的影響,于是用 Multisim 中的波特儀來精確觀察電路的輸入輸出特性。 圖 48 二階低通濾波器交流小信號分析圖 二階帶通濾波器 16 圖 49 二階帶通濾波電路 電路結構如圖 49,輸入端的電阻 R R4 和電容 C C2 組成低通電路,電容 C C4和電阻 R R6 組成高通電路,二者串聯(lián)起來接在集成運放的同相輸入端,它的作用在前面介紹二階低通有源濾波器時已經詳細論述過。湖南人文科技學院畢業(yè)設計 17 圖 410 利用示波器得到的二階帶通濾波器電路的輸入輸出波形 圖 410 為輸入信號頻率為 200Hz,幅度為 12 V 時二階帶通濾波器電路的輸入輸出情況。幅度大的為輸入信號,幅度小的為輸出 信號。 調節(jié)輸入頻率,使之分別為 500 Hz, 1kHz, , 2kHz, 。 ( 3)幅頻特性分析 在 Multisim 軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬波特儀,將波特儀的輸入輸出端分別連接到電路的輸入端與輸出端,再點擊仿真按鈕進行仿真,得到如下波形 : 18 圖 411 二階帶通濾波器電路的幅頻特性曲線 從圖中可以看出該帶通濾波器的中心頻率 fo=,上限截止頻率約為 800Hz,下限截止頻率約為 2kHz,與理論計算結果相符。實驗 一、 工程概況: 西夏建材城生活區(qū) 2 30住宅樓位于銀川市新市區(qū) ,橡膠廠對面。30樓 m2。設計室外地坪至檐口高度 00m,呈長方形布置,東西向,三個單元。地面除衛(wèi)生間 200 200 防滑地磚,樓梯間 50 厚細石砼 1: 1 水泥砂漿壓光外,其余均采用 50 厚豆石砼毛地面。 本工程設計為磚混結構,共六層。 本工程設計給水管采用 PPR 塑料管,熱熔連接;排水管 采用UPVC 硬聚氯乙烯管,粘接;給水管道安裝除立管及安裝 IC 卡水表的管段明設計外,其余均暗設。計劃 2021 年 9 月 15 日前湖南人文科技學院畢業(yè)設計 3 完成基礎工程, 2021 年 12 月 30 日完成主體結構工程, 2021 年 6月 20 日完成裝修工種,安裝工程穿插進行,于 2021 年 7 月 1 日前完成。 ⑶ 內裝修工程 門窗框安裝→室內墻面抹灰→樓地面→門窗安裝、油漆→五金安裝、內部清理→通水通電、竣工。 機械準備 ⑴ 設 2 臺攪拌機, 2 臺水泵。 ⑸ 現(xiàn)場設塔吊 2 臺。樓層用水采用鋼管焊接給水管,每層留一出水口;給水管不置蓄水池內,由潛水泵進行送水。 四、主要施工方法 施工測量放線 ⑴ 施工測量基本要求 A、 西夏建材城生活區(qū) 1 30住宅樓定位依據: 西夏建材城生活區(qū) 工程總體規(guī)劃圖,北京路、規(guī)劃道路永久性定位 B、根據工程特點及<建筑工程施工測量規(guī)程> DBI01- 21- 95, 2 條,此工程設置精度等級為二級,測角中誤差177。根據主軸線設置兩條次軸線即 27樓:( H)軸 6 線和( 27)軸線; 30樓:( H)軸線和( 27)軸線。 相當于絕對標高 。 ⑷ 結構施工測量 A、首層放線驗收后,主控軸一引至外墻立面上,作為以上務層主軸線豎身高以測的基準。 開挖時,根據現(xiàn)場實際土質,按規(guī)范要求 1: 放坡,反鏟挖掘機挖土。機械挖土 ,先發(fā)出信號,挖土的時候,挖掘機操作范圍內,不許進行其他工作,裝土的時候,任何人都不能停留在裝土車上。 ⑵ 砌筑要求 A、開
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