带通滤波器设计--模拟电子技术课程设计报告.doc

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------------------------------------3
1、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-----------------------------------4
2、2各功能的组成-------------------------------5
2、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---------------------------6
3、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---------9
4、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-----------------------12
5、2测试的数据与波形---------------------------12
5、3组装与调试---------------------------------14
5、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----16
8、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。

高通
低通
Ui U0

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。

-
+
Ui（全通）
低通
U1（高通）
反馈通路

低通
高通

U2（带通）

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。

低通
-
+
反馈通路
U1（高通）
低通
高通
Ui（原信号）
方案总体框图：

U2（带通）

线性检波滤波电路

比较显示电路
线性检波滤波电路

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。
得

然后S用jw代入，得到：
上限截止频率

高通滤波器：

线性检波电路：
Un
Ui’
U0
Ui

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，；当输入Ui为负时，经过反相器反相，Uo’>0，故D1不导通，D2导通，，由于虚地点，Un=0，所以。
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。
3、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：

设
联立上式得传递函数：
然后用jw代替s：
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 又 ，化简得中心频率
根据中心频率公式，分别算出500HZ，1KHz，5KHz，10KHzsi四种频率时的电阻值，（这里我们电容C取0.01uf）
500HZ时，R1=31.82K
1KHz时，R2=15.92K
5KHz时，R2=3.182K
10KHz时，R3=1.592K

4、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
仪器
用途
函数信号发生器
信号源
直流稳压电源
供电
示波器
观察波形
交流毫伏表
测量交流电压
万用表
测量电阻

5、2测试的数据与波形
测量数据：

中心频率f0（KHz）
R()
C(uf)
f上（Hz）
f下（Hz）
带宽BW（KHz）
理论值
0.5
31.83K
0.01
310
810
0.5
1
15．92K
1.62K
0.62K
1.00
5
3.183K
8.10K
3.09K
5.01
10
1.592K
16.20K
6.20K
10.00
实验值
0.47
32K
321
770
0.45
1.048
16K
1.54K
0.64K
0.9
4.8
2.95K
9.2K
3.4K
5.8
9.52
1.49K
18.1K
6.4K
11.7K

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840hz

5、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。调节完成后，进行功能调试，发现灯能随频率改变亮灭

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
设计电路的特点是通频带较理论值偏宽，前期由于没有拿到合适的电阻，一些电阻值只能粗略地近似，如3.18kohm，由于没有拿到小电阻，就直接用3kohm来接，导致完成后的误差略大。
改进方向：使用多个电阻串联或并联来近似逼近理论电阻值

第七章 电路元件参数列表
7、1 电路元件一览表
电路元件
数量
用途
20K电阻
6个
主体电路、线性检波滤波电路
15K电阻
2个
主体电路、线性检波滤波电路
9K电阻
8个
主体电路、线性检波滤波电路
3K电阻
2个
主体电路
1.5K电阻
2个
主体电路
1K电阻
6个
主体电路、线性检波滤波电路
470电阻
1个
比较显示电路
0.01uf电容
2个
主体电路
1mf电解电容
2个
线性检波滤波电路
开关
2个
主体电路
二极管
4个
线性检波滤波电路
10K滑动变阻器
1个
线性检波滤波电路
发光二极管
1个
比较显示电路
LF353芯片
3块
主体电路、线性检波滤波电路、比较显示电路

附：LF353芯片内部结构

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
设计的带通滤波器的下限频率为高通滤波器的截止频率，上限频率为低通滤波器的截止频率。带通滤波器，对通过的信号具有频率选择作用，它的整个频率通带内都能最大限度的让信号通过，而其阻带对通过的信号有衰减和抑制作用。

8、2总结设计的收获与体会
总结：
1、做一个总体的大设计时，应该先想好需要哪些模块，实现哪些功能，如何来实现，布局也要尽可能合理。
2、调试时应该分模块进行调试，确认每一模块功能正常后，方可整体进行调试。不然一但出现错误，不知道是哪一模块的问题。
3、根据各模块的功能来合理选择器件，参数要尽可能逼近理论值，选用不当会导致误差过大
体会：
通过本次模电课程设计，加深了对各类仪表仪器功能、用法的认识，提升也提升了自己根据现象分析问题，解决问题，排除故障的能力。在出现故障后一步步调试，分析，用理论知识来分析故障原因，解决故障，加深了对模拟电子技术的学习。最主要的，提高了自己动手能力。

附图(电路仿真总图、电路图)

实物连接图：

参考文献
《模拟电子技术基础》（第四版） 华成英 童诗白 清华大学电子教研组 高等教育出版社 2006.5
《电子技术实验与模拟电子技术课程设计》 杨上河 西安电子科技大学出版社 2012.9

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制
40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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