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學(xué)科分類號
本科學(xué)生電子課程設(shè)計論文
題 目： 帶通有源濾波電路
姓 名 周*
學(xué) 號 201530183009
院 （系） 工 學(xué) 院
專業(yè)、年級 應(yīng)用電子技術(shù)（教育） 15級
指導(dǎo)教師 蘭*
2017年 5 月 8 日
第1章 緒 論
1.1 濾波器的產(chǎn)生和發(fā)展
濾波器是一種主要用于的選頻的電路，真實的世界中會有各種各樣有用或者無用的信息，而它可以通過某種特有的方法把信號源的輸入信號根據(jù)需要變換成系統(tǒng)要求的輸出信號，讓某些頻率段的信號成分輸出，讓其它頻率段的信號成分受到衰減或是阻塞。濾波器在生活中、工業(yè)中、軍事中應(yīng)用都十分廣泛。當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)很多電子產(chǎn)品都離不開濾波電路，然而濾波電路面臨的最大問題之一就是受外界干擾嚴(yán)重。濾波電路剛產(chǎn)生時是無源濾波電路，電路主要有電阻、電容、電感組成，有RC串聯(lián)RL串聯(lián)RLC混聯(lián)等種類的濾波網(wǎng)絡(luò)。在這些濾波電路中LC梯形濾波以最為實用的特點深受人們喜愛。數(shù)十年以來，電感的品質(zhì)一直沒有大的飛躍，依然存在體積大、價格貴、性能不穩(wěn)定等缺陷，因此，濾波電路發(fā)展的步伐受到了很大的限制。直到上個世紀(jì)五十年代，人們發(fā)現(xiàn)沒必要非得吊死在一棵樹上，在電感上面再耗費太多的時間，于是乎將眼光轉(zhuǎn)向了用其他元件代替這一塊。沒過多久，新的濾波電路便誕生了，也就是如今的有源濾波電路。有源濾波電路是由集成運放為核心的具有放大功能的濾波電路。與以往的無源濾波電路相比較，有源濾波電路具有體積小、穩(wěn)定度高、濾波效果強(qiáng)等特點。因此有源濾波電路一問世便受到了業(yè)界的關(guān)注與推崇，也正因如此，有源濾波電路也逐漸代替了無源濾波電路的位置，成為濾波電路的不二之選。有源濾波電路的產(chǎn)生標(biāo)志著濾波電路進(jìn)入了一個全新的時代，為電子行業(yè)的發(fā)展起了推動作用。
二、有源濾波技術(shù)的歷史發(fā)展和現(xiàn)狀
隨著單片集成運算放大器的出現(xiàn)，有源濾波器的發(fā)展又進(jìn)入了一個新的階段，這對濾波電路的發(fā)展來說是意義重大的，因為有了單片集成的運放，人們在設(shè)計電路時便不像以前那么難以調(diào)試了。雖然無源濾波電路相對于無源濾波有著如此多的優(yōu)勢，但也存在著致命缺點，即頻帶范圍。這是因為集成運放的增益和相移都是頻率的函數(shù)，從而使得濾波電路的工作頻率為20KHZ左右，經(jīng)過頻率補償以后，工作頻率可以達(dá)到100KHZ左右，但這仍然無法滿足工業(yè)需求。需求推動發(fā)展，不久之后便出現(xiàn)了更高頻的濾波電路，他可以使頻率達(dá)到GB/4。 電阻與電容相比較是更加難以集成，因此電路的集成與有遇到了一大障礙。不久之后，有源電容濾波器問世了，電路主要由電容和運放組成，這樣就給電路的集成帶來了很大的方便。 雖然現(xiàn)在的有源濾波電路有著這樣那樣多的問題，但這依然無法阻擋RC有源濾波器發(fā)展。
1.3 選題意義
鞏固以及進(jìn)一步熟悉模擬電路，掌握運放電路、濾波電路以及電路之間的結(jié)合與調(diào)整，提升自己的動手操作能力，讓自己更加深刻的了解模擬電路存在的不穩(wěn)定性以及難調(diào)試性，學(xué)會仿真軟件、制作PCB板子、調(diào)試電路以及選元件參數(shù)。
1.4 本設(shè)計的工作
（1）選電路
從網(wǎng)上查有關(guān)有源濾波電路的的資料，從中選出比較靠譜且電路效果相似的電路圖及其參數(shù)，但查了幾個小時后發(fā)現(xiàn)并沒用完全符合要求的電路。于是，我去圖書館查閱電子電路模擬部分的書籍，從雪比切夫看到巴特沃夫再到歸一化，這一個個陌生的名詞和定理使我不得不耐心的從頭到尾學(xué)習(xí)，但結(jié)果書上還是沒有符合的電路除非自己把這些公式和定理都弄懂然后通過十分復(fù)雜的計算才有可能得到理論上的參數(shù)。同時我也在去年的模擬電路書上有源濾波電路電路的設(shè)計的那一節(jié)找電路圖，但是里面的低通截止頻率是1KHZ，顯然不行，還是得自己計算電阻電容的參數(shù)。最后，萬般無奈下找上一屆學(xué)姐要了一個電路。
（2）仿真
電路在仿真軟件上是完全可行的，濾波效果也特別好，只不過到了實際電路上就不管怎么嘗試都行不通。
（3）確定參數(shù)
第一次所完成的電路在實際中存在著很多的問題，如：輸入電路小到只有幾十歐姆；帶負(fù)載能力差；容易引起自激振蕩；放大倍數(shù)不夠；電容間的相互影響大；分布電容對電路的影響大；電路嚴(yán)重失真等，因此我決定重新確定電路參數(shù)。首先高通濾波部分的電阻調(diào)大、電容調(diào)小、階數(shù)增加，這樣可以使得電路的高通濾波電路部分的輸入電阻增大濾波效果增強(qiáng)。然后再去確定電阻阻值的大小，通過調(diào)節(jié)電路中反饋電位器或者是反向輸入端的內(nèi)電阻從而調(diào)節(jié)整個電路的放大倍數(shù)。最后，將低通濾波電路中的電容和電阻的參數(shù)確定好，然后將電路各個模塊連接起來。
（4）買元件
坐公交或者騎自行車去南門樓口購買元件，前后我們組三個人加起來不下十次。
（5）焊制板子
通過將電路分割成四個主要模塊：前級放大電路、后級放大電路、高通濾波、低通濾波，模塊與模塊之間利用排針以及杜邦線連接。然后，按照電路在萬能板上焊制電路。
（6）調(diào)試電路
利用增壓直流電源、信號源以及示波器和萬用表對濾波電路各個模塊進(jìn)行測量和調(diào)試。
第2章 硬件部分簡介
2.1 具體方案論證與設(shè)計
方案１：
巴特沃夫濾波電路，同時利用相關(guān)公式進(jìn)行參數(shù)確定。
方案２：
簡單RC有源濾波電路，通過不斷的實驗確定濾波電路高通和低通濾波電路電容電阻的參數(shù)以及濾波階數(shù)。
2.2 主控芯片的簡介
LM324系列的運放芯片里面是由四個相互獨立的運算放大器組成，它的輸入端是具有差分放大的作用，這使得電路的輸入特性優(yōu)于一般的運放。該芯片采用雙電源供電，比起其他單電源供電的芯片有著一系列的優(yōu)勢，例如電源電壓工作范圍，該芯片的工作電壓為3V到32V，而靜態(tài)工作電流卻僅僅只有MC1741的的百分之二十左右。由于采用的共模輸入范圍包括還了負(fù)電源，因此電路的外部元件都可以不用再接，從而使得設(shè)計與調(diào)試變得簡單。
運放類型:低功率
放大器數(shù)目:4
帶寬:1.2MHz
針腳數(shù):14
工作溫度范圍:0°C to +70°C
封裝類型:SOIC
3dB帶寬增益乘積:1.2MHz
變化斜率:0.5V/μs
器件標(biāo)號:324
器件標(biāo)記:LM324AD
增益帶寬:1.2MHz
工作溫度最低:0°C
工作溫度最高:70°C
放大器類型:低功耗
溫度范圍:商用
電源電壓 最大:32V
電源電壓 最小:3V
芯片標(biāo)號:324
表面安裝器件:表面安裝
輸入偏移電壓 最大:7mV
運放特點:高增益頻率補償運算
邏輯功能號:324
額定電源電壓, +:15V
1.短路保護(hù)輸出
2.真差動輸入級
3.可單電源工作：3V-32V
4.低偏置電流：最大100nA
5.每芯片里面有四個單獨運放電路。
6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?br />
7.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源
8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列
9.輸入端具有靜電保護(hù)功能
主要特性：
短路保護(hù)輸出
真正的差分輸入級
單電源供電：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A）
低輸入偏置電流：100 nA最大值（LM324A）
每個封裝有4個放大器
內(nèi)部補償
共模范圍擴(kuò)展至負(fù)電·源
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳分配
輸入端的ESD鉗位提高了可靠性，且不影響器件工作
提供無鉛封裝
第3章 原理
3.1 RC低通濾波器，即讓截止頻率以下的信號通過，而將截止頻率以上的頻率衰減、過濾。RC濾波器具有以下一些優(yōu)點：電路設(shè)計簡單，抗性干擾性強(qiáng)，低頻段性能好，由于選用的元件只有電阻和電容，因此元件易得可選擇性高。也正是由于這些優(yōu)點，RC濾波電路在工程探測中的應(yīng)用十分廣泛。
1)一階RC低通濾波器
下圖是該電路幅頻、相頻特性曲線。
電路的傳遞函數(shù)：
電路的幅度和相位的計算公式：
3.2 RC高通濾波模塊原理
一階濾波電路：
頻率計算公式：
3.3集成運放的的原理：
下圖所示是同相比例運放電路：
下圖所示是反相比例運放電路：
實驗操作
前期準(zhǔn)備
1.上網(wǎng)查資料找電路
百度上的電路
2.學(xué)會電路仿真軟件
3.學(xué)習(xí)制作PCB板子
4.去南門口買元件
第一次設(shè)計電路
原理圖
實物圖
板子出現(xiàn)的問題主要有：
1.沒波形 2.波形失真 3.輸入電阻太小
4.容易自激震蕩 5.可調(diào)性不足
6.濾波效果不好
第二次設(shè)計板子
電路模塊
電路草圖
實物圖
電路的幅頻特性曲線
第5章 結(jié)論
由于利用多階濾波電路，所以在本設(shè)計中電路元件多，其優(yōu)點濾波效果好、電路穩(wěn)定性強(qiáng)等。
本設(shè)計中的不足與改進(jìn)建議：
（1）本設(shè)計存在的缺點有平坦度還不夠。因此，可以把參數(shù)設(shè)置更穩(wěn)定些。
（2）本設(shè)計存在的缺點還有衰減速度還不夠。因此，還可以多加幾階濾波電路。
（3）帶負(fù)載能力不夠強(qiáng)，可以在輸出端加一個電壓跟隨器。
（4）輸入電阻太小使得輸入信號有衰減，可以在輸入端也加一個電壓跟隨器。
實驗心得與體會
沒有一點點防備，也沒有一絲預(yù)料，課程設(shè)計就悄悄地來到。也許是因為我從未經(jīng)歷過又或許是我的性格使然，我竟然一開始沒有把他放在心上。剛拿到課題時，覺得它就只是一個簡單的濾波器，不就是幾個電阻電容嗎，只要把阻值和容值確定好就行了，就那么簡單。可生活中的很多事情就像父親所說的一樣：看著容易，但你自己動手去做時你就會覺得難了。這次課設(shè)便是如此，當(dāng)我打了幾周醬油之后開始真正動手去做時卻發(fā)現(xiàn)根本沒有那么簡單。從設(shè)計電路，到選參數(shù)，到最后的調(diào)試每一個環(huán)節(jié)都是十分頭疼。當(dāng)我的第一塊板子焊出來之后，我調(diào)試發(fā)現(xiàn)什么問題都有，最后輸出的是雜波。萬分無奈，我在經(jīng)過很多次糾錯之后發(fā)現(xiàn)仍是無法完成功能，于是我便找了幾個老鄉(xiāng)學(xué)長向他們請教，可結(jié)果是這樣的：第一個學(xué)長對我說：“你居然抽到了這個？你也太倒霉了吧？這個是所有課設(shè)里面最難的了，我們這一屆沒有一個人做出來，這個太難了，我也不會，幫不了你。”第二個學(xué)長是這樣對我說的：“你抽的是這個啊？，我對模電這一塊不太了解，這個題目特別難，我也不會，你還是問以前做過的學(xué)長學(xué)姐吧，說不定他們能幫你。”就這樣，我懷著萬分“悲痛”的心情對自己說：這一次我只能靠自己了，加油吧，高考都挺過來了，還有什么走不過去的呢？
既然別人靠不住，那就自己更努力。于是乎我沒有了之前打醬油的心態(tài)，開始重視起這次課程設(shè)計了。
我把板子拿過去問老師為什么會出現(xiàn)這樣的情況，老師看了一眼然后說：“分布電容的問題。”于是我便開始焊制我的第二塊板子了。有了第一次的嘗試，第二次我學(xué)聰明了，我將電路分割成一個個小模塊，模塊與模塊之間就用排針和杜邦線連接起來，這樣的話后面調(diào)試起來就容易多了，很快就能找到那個部分出現(xiàn)了問題，而且就算最后不能調(diào)試好，我也能直接將這一模塊重做，這樣一來，我不但大大節(jié)約了時間，還節(jié)約了重做時元件的成本，最重要的是，這樣可以完全不用擔(dān)心分布電容的問題了。所謂的分布電容是指存在導(dǎo)線之間的電容，如果我直接用一塊板子去焊制電容濾波部分，把每個元件、每根導(dǎo)線之間的距離拉開，那樣的話又何來分布電容呢？
理想是美好的，現(xiàn)實卻很殘酷。我原以為這一次會成功，當(dāng)我把電路接上之后還是存在著很多問題，而且，當(dāng)我把信號源拆掉時，還是有同樣的輸出，這就是說輸出和輸入壓根就沒半毛錢關(guān)系。我去問老師才知道這是自激振蕩了。于是我便將那個反饋電容拆掉，這下好，連失真波形都沒有輸出了。經(jīng)過好多個下午和晚上的調(diào)試，我發(fā)現(xiàn)再這樣做下去是不可能成功的，因為這個電路本身就存在很多的問題，因為這個電路圖是學(xué)姐的，如果沒問題的話那么他們不可能會但最后沒有一個人做出來。想到這里，我瞬間覺得自己好笨啊，有種生無可戀的心情，但抱怨歸抱怨，生活還得繼續(xù)，大不了從頭再來……
經(jīng)過我理智的分析發(fā)現(xiàn)，我可以用最簡單的電阻電容串聯(lián)濾波電路來濾波，這樣的話成功率會更高一點，雖然說效果也許不理想，但我覺得總比到了最后驗收時什么都拿不出來強(qiáng)。
我先是在電腦上面把RC串聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，看他的波特圖，在多次調(diào)整參數(shù)之后確定了低通和高通的參數(shù)，于是我便開始在以前做模電實驗的那個插件板上面做驗證實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濾波效果根本就沒有仿真上面的好。無奈，我只能增加濾波階數(shù)，可當(dāng)階數(shù)一增加，截止頻率也就開始往中間移了，我便只能調(diào)整電阻阻值和電容容值。經(jīng)過無數(shù)次的嘗試，我終于確定了電阻電容的參數(shù)。沒有半刻的拖延，我便開始了我的第三次焊制，這一次也許是老天被我的真誠所打動，然后給我開了后門，竟然中間沒有出半點問題。就這樣，我的課設(shè)終于完成了。
這一次課設(shè)，我的收獲可以說是所有人中最多的，因為我在之后參加的電子比賽中拿了一等獎，而比賽固定作品的題目就是有源濾波電路，那時我還偷著樂了好一陣。當(dāng)然也許談這些具體的收獲太庸俗，那我就再談?wù)劥送獾氖斋@吧。首先，我打破了上一屆沒人做出來這個課設(shè)的噩夢，這讓我狠狠滿足了一把虛榮心，同時也證明了自己的專業(yè)水平。其次通過這次課設(shè)，我對專業(yè)有了更深的認(rèn)識，不但回顧了以前的知識，同時我還學(xué)到了很多新的知識。再者我嘗試了以前我沒嘗試過的事情，例如：自己去買元件，自己在圖書館查資料到很晚，自己設(shè)計電路等等……最后，我還明白了從理論到實踐、從理想到現(xiàn)實比我們想像的要難得多。
回顧以往，我的努力沒有白費；展望未來，我將繼續(xù)前行。相信憑著我一心執(zhí)著和滿心熱血，今后無論做什么都會像這次課設(shè)一樣成功的。
參考文獻(xiàn)
[1] 陶駿 HT-7U 高功率電源系統(tǒng)無功功率補償與諧波抑制的研
究.中科院等離子體物理所博士學(xué)位論文
[2] 朱小龍.一種多功能有源濾波器電路仿真設(shè)計與分析[J].安徽理
工大學(xué)學(xué)報，2004
[3] 謝自美.電子線路設(shè)計.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1994
[4] 童詩白，華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，2001
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