课题一b 有源滤波器设计课程设计指导书.doc

课题1b 有源滤波器设计与分析 一、 本课题的目的本课题研究有源低通、高通、带通、全通滤波器的设计，并通过仿真和实际电路测试，分析各种滤波器的频率响应和时域响应通过本课题的设计，主要到达以下几个目的：1． 掌握有源滤波器的根本原理及设计方法2． 深入理解信号频谱和信号滤波的概念，理解滤波器幅频响应和相频响应对信号的影响，了解不同类型滤波器时域响应的特点3． 掌握模拟滤波器频域响应的测试方法4． 掌握利用Multisim软件进行模拟滤波器设计及仿真的方法5． 了解有源滤波器硬件电路的设计、制作、调试过程及步骤6． 掌握新一代信号与系统硬件实验平台及虚拟示波器、虚拟信号发生器的操作使用方法7． 培养运用所学知识分析和解决实际问题的能力二、课题任务本课题的任务包括有源滤波器电路设计、电路〔系统〕仿真分析、电路板焊接、电路调试与测试、仿真和测试结果分析等内容，主要工作有：1. 采用运算放大器，分别设计参数可调的有源低通、带通、高通、全通滤波器，并用Multisim软件进行仿真验证，并测试其时域和频率响应2. 列出所设计各滤波器的系统函数，用Matlab软件分析其频率响应、时域响应，并与Multisim电路仿真的结果进行比拟分析。

3. 在Multisim仿真软件中，给各滤波器分别输入适当的信号，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响4. 根据所设计的滤波器元件参数，在PCB板上完成各有源滤波器电路的焊接5. 利用新开发的信号与系统实验平台，对焊接好的电路进行调试，确保其工作正常6. 采用适当的方法，调整相关元件参数，测试各滤波器的时域响应和频率响应，与相关仿真分析结果进行比拟，并分析误差产生的原因7. 将适当信号输入滤波器，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响，并与仿真结果进行比拟，分析其差异产生的原因三、主要设备和软件1．信号与系统实验系统〔含DSO-3064虚拟示波器和DDS-3X25虚拟信号发生器〕一套2. PC机一台3．4．Matlab软件一套以上版本5．连续系统频域响应测试与分析电路PCB板及相关元器件，一套6. 恒温焊台及其它工具一套7. 数字万用表一台四、设计内容、步骤和要求1. 有源低通滤波器的设计与仿真分析〔1〕利用运算放大器，设计二阶压控电压源型〔VCVS〕有源低通滤波器，滤波器原型电路参见参考文献[1]中的图3.21或附录图7-4滤波器主要技术指标要求：截止频率在100~20kHz范围内连续可调〔用两个可调电阻实现〕；滤波器通带增益设计为约等于2；其余指标自定。

〔2〕按照上述技术指标要求，完成滤波器元件参数的设计计算，所用到的电容均选用0.01uF，其余参数可参照另行提供的参考原理图〔参考文献[2]〕和元件清单〔表4-1〕〔3〕采用Multisim软件〔软件使用方法参见附录及参考文献[3]〕对所设计的滤波器进行仿真验证调节不同的滤波器截止频率〔自行选择3个左右截止频率点，并记录下对应的可调电阻值应先根据预期的截止频率，大致估算所需的电阻值，防止盲目选择，下同〕，分别用Multisim软件中的Bode图分析仪观测并记录所设计滤波器的幅频与相频响应〔4〕在Multisim软件中，给所设计滤波器加上适当的鼓励信号，将滤波器调至与上一步骤相对应的3个不同截止频率，分别用示波器观测其时域响应〔冲激响应或阶跃响应〕，比照分析并总结滤波器截止频率与时域响应之间的联系〔5〕根据所设计滤波器的元件参数〔其中可调电阻取第〔2〕步所记录的任意一组阻值即可〕，列出滤波器的系统函数〔公式参见参考文献[1]〕，并用Matlab软件分析其频率响应与时域响应，并与对应的Multisim仿真分析结果进行比拟，分析其误差情况及误差产生的原因2. 有源高通滤波器的设计与仿真分析〔1〕利用运算放大器，设计二阶压控电压源型〔VCVS〕有源高通滤波器，滤波器原型电路请自行查阅相关文献。

滤波器主要技术指标要求：截止频率在100~20kHz范围内连续可调〔用两个可调电阻实现〕；滤波器通带增益设计为约等于2；其余指标自定〔2〕按照上述技术指标要求，完成滤波器元件参数的设计计算，所用到的电容均选用0.01uF，其余参数可参照另行提供的参考原理图〔参考文献[2]〕和元件清单〔表4-1〕〔3〕采用Multisim软件对所设计的滤波器进行仿真验证调节不同的滤波器截止频率〔自行选择3个左右截止频率点，并记录下对应的可调电阻值〕，分别用Multisim软件中的Bode图分析仪观测并记录所设计滤波器的幅频与相频响应〔4〕在Multisim软件中，给所设计滤波器加上适当的鼓励信号，将滤波器调至与上一步骤相对应的3个不同截止频率，分别用示波器观测其时域响应〔冲激响应或阶跃响应〕，比照分析并总结滤波器截止频率与时域响应之间的联系〔5〕根据所设计滤波器的元件参数〔其中可调电阻取第〔2〕步所记录的任意一组阻值即可〕，列出滤波器的系统函数〔公式请查阅文献或者自行推导〕，并用Matlab软件分析其频率响应与时域响应，并与对应的Multisim仿真分析结果进行比拟，分析其误差情况及误差产生的原因3. 有源带通滤波器的设计与仿真分析〔1〕利用运算放大器，设计增益可控的二阶多反应带通〔MFBP〕有源滤波器，滤波器原型电路参见参考文献[1]中的图5.25(b)。

滤波器主要技术指标要求：中心频率在0~10kHz范围内连续可调〔用可调电阻实现〕；中心频率处滤波器增益设计为约等于2；其余指标自定〔2〕按照上述技术指标要求，完成滤波器元件参数的设计计算，所用到的电容均选用0.01uF，其余参数可参照另行提供的参考原理图〔参考文献[2]〕和元件清单〔表4-1〕〔3〕采用Multisim软件对所设计的滤波器进行仿真验证调节不同的滤波器中心频率〔自行选择3个左右中心频率点，并记录下对应的可调电阻值〕，分别用Multisim软件中的Bode图分析仪观测并记录所设计滤波器的幅频与相频响应，注意观察并总结相频响应的特点及其与幅频响应之间的对应关系〔4〕在Multisim软件中，给所设计MFBP滤波器加上适当的鼓励信号，将滤波器调至与上一步骤相对应的3个不同中心频率，分别用示波器观测其时域响应〔冲激响应或阶跃响应〕，比照分析并总结滤波器中心频率与时域响应之间的联系〔5〕根据所设计滤波器的元件参数〔其中可调电阻取第〔2〕步所记录的任意一个阻值即可〕，列出滤波器的系统函数〔公式参见参考文献[1]〕，并用Matlab软件分析其频率响应与时域响应，并与对应的Multisim仿真分析结果进行比拟，分析其误差情况及误差产生的原因。

4. 有源全通滤波器的设计与仿真分析〔1〕利用运算放大器，设计二阶有源全通滤波器，滤波器原型电路参见参考文献[1]中的图7.12(a)要求滤波器的相频响应可调〔用可调电阻实现〕，其余指标自定〔2〕按照上述技术指标要求，完成滤波器元件参数的设计计算，所用到的电容均选用0.01uF，其余参数可参照另行提供的参考原理图〔参考文献[2]〕和元件清单〔表4-1〕〔3〕采用Multisim软件对所设计的滤波器进行仿真验证调节不同的相频特性〔自行选择3种左右不同相频特性，并记录下对应的可调电阻值〕，分别用Multisim软件中的Bode图分析仪观测并记录所设计滤波器的幅频与相频响应，并基于所测得的频率响应，讨论该全通滤波器所起的作用〔4〕在Multisim软件中，给所设计滤波器加上适当的鼓励信号，将滤波器调至与上一步骤相对应的3个不同相频特性，分别用示波器观测其时域响应〔冲激响应或阶跃响应〕，总结其时域响应的特点， 并据此分析线性相位特性对无失真传输的意义〔5〕根据所设计滤波器的元件参数〔其中可调电阻取第〔2〕步所记录的任意一个阻值即可〕，列出滤波器的系统函数〔公式参见参考文献[1]〕，并用Matlab软件分析其频率响应与时域响应，并与对应的Multisim仿真分析结果进行比拟，分析其误差情况及误差产生的原因。

5. 有源滤波器硬件电路的制作利用已经制作好的连续系统频率响应测试与分析PCB板，选用适当的元件，完成所设计4种有源滤波器硬件电路的焊接〔1〕元件清单及焊接安装位置如表4-1所示其中电阻元件的阻值仅供参考，必要时可调整元件包括贴片和直插两种类型，各元件在PCB板上安装位置参照表4-1PCB板中印有“河北工业大学信息工程学院〞字样的那一面为顶层，另一面为底层对于直插式元件，假设安装于顶层，那么说明元件主体位于顶层，在底层进行焊接，反之亦然同时需要强调的是，局部元件是有极性的〔参见表4-1〕，不能焊反SO封装的元件，封装上带有凹圆点的位置对应于1#引脚，该引脚应位于PCB板上元件丝印图形有半圆缺口的那一端表4-1 元件清单及其焊接安装位置名称型号规格封装数量元件序号元件安装位置钽贴片电容10uF，25V12064C1，C2，C3，C4底层〔有极性〕贴片电容，50V，X7R，10%12064C5，C6，C7，C8底层贴片电容， ECHU1H103GX5薄膜电容，50V，2% 12068C9，C10，C11，C12，C13，C14，C15，C16底层贴片LED红08051D1顶层〔有极性〕贴片LED白08051D2顶层〔有极性〕贴片LED绿08051D3顶层〔有极性〕贴片LED蓝08051D4顶层〔有极性〕PTC保险丝50mA12104F1，F2，F3，F4底层〔无极性〕贴片电阻15k，1%12061R1底层贴片电阻，1%12061R2底层贴片电阻2k，1%12061R3底层贴片电阻20k，1%12069R4，R8，R9，R13，R14，R18，R24，R26，R27底层贴片电阻10k，1%120610R6，R7，R11，R12，R16，R17，R20，R22，R23，R25底层贴片电阻82k，1%12061R19底层运放NE5532SO-83U1，U2，U3底层运放TL084ACSO-141U4底层测试环K1B72　9T0~T8顶层插线孔K2A33　21H1~H8，GND，Ra1~Ra4，Rb1，Rb2顶层DB9公头焊板式DB9/F2J1，J2底层〔2〕建议元件焊接顺序：底层贴片元件à顶层贴片元件à插线孔K2A33à测试环K1B72àDB9公头。

〔3〕元件焊接工艺要求： ①元件上有文字标注的贴片器件，除了因引脚排列和极性要求之外，应该尽可能保持文字方向一致，并与PCB板上的丝印文字方向相同有极性的元件〔钽电容，发光二极管等〕，其阳极位置均已在PCB上以“+〞标注，安装时应确保极性正确②除测试环〔K1B72〕之外，所有元件在焊接时均紧贴PCB板面，位置端正③测试环〔K1B72〕焊接时，测试环两端在焊接面〔底层〕的突出量控制在0.5~1mm，焊接后突出局部无需剪除④除特别指出之外，焊接时恒温烙铁温度调至250~280℃为宜焊点光滑，焊锡量适度，元件焊接牢固可靠，杜绝虚焊⑤DB9公头焊接完成后，将其在顶层引脚的多余突出局部用斜口钳剪除〔4〕插线孔K2A33焊接技巧：先将PCB顶层朝上，从PCB顶层将所有插线孔元件插入焊孔à用较硬的平板物〔或书〕压住顶层，防止翻转时元件。