光电子线路课程设计

南京理工大学电光学院课程设计

光电子线路课程设计

———模拟滤波器设计

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时间：2011年9月5日

南京理工大学电光学院课程设计

目录

1. 引言……………………………………………………… 03 2. 正文……………………………………………………… 03

2.1. 设计要求……………………………………… 03 2.2. 设计过程……………………………………… 042.2.1. 手工计算设计…………………………… 04 2.2.2. 计算机仿真……………………………… 05 2.2.3. 实际连接与调试………………………… 06 2.2.4.

带通滤波器设计过程…………………… 07

2.3. 设计结果分析与反思…………………………… 113. 结论……………………………………………………………4. 致谢……………………………………………………………5. 参考资料…………………………………………………… 11

11 11

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光电子线路课程设计

——模拟滤波器设计

（南京理工大学）

摘要：本文详细介绍了一种二阶有源模拟滤波器的设计过程和调试方法。

给定设计参数，依照所给的电阻电容数值，合理选取电路元件和滤波器结构，以满足设计要求。其设计过程分为三个部分，首先进行手工计算选取合适的元件值，初步满足设计要求；然后在计算机平台上利用Multisim软件进行仿真测试，获得设计电路的频响特性，并与手工计算结果进行比较，观察差异并分析原因；最后实际搭建电路，测量电路的频响特性并适当调整元件参数值，以满足设计要求，并与计算和仿真结果相比较，观察差异并分析原因。

关键词：模拟滤波； 二阶有源； 频响特性；低通带通；仿真

1、 引言

光电信号大多是微弱的电信号，而噪声信号一般都较大。同时，在信号的处理、放大、传输及光电探测器本身等各个环节中，也很容易引进干扰信号。在严重情况下，这些干扰信号会淹没有用信号，以致无法测量。在这种情况下，除了采取有效的抗干扰措施之外，采用信号滤波技术是提高信噪比（S/N）行之有效的方法。

2、 正文

2.1 设计要求

利用以下所提供的元器件，设计一个二阶有源模拟滤波器。对于低通滤波器，要求其上限截止频率f为1kHz，且增益尽量为2倍。若是高通滤波器，则其下限截止频率f为500Hz。对于带通滤波器，要求中心频率f为1kHz，带宽△f≤50Hz，尽可能使上升沿下降沿对称，增益尽量为为2倍。

电阻：47 56 75 300 330 430 470 510 （Ω） 1 1.5 3 4.7 5.1 7.5 10 11 15 20

33 43 47 51 68 180 300 470 （kΩ）

电容：0.001 0.01 0.1 1 0.0022 0.022 0.22 0.015 0.033 0.33 0.047

0.47 4.7 10 22 47 33 100 220 (μF) 5100 6800 (pF)

741集成运算放大器一片、面包板一块、导线若干

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仪器仪表：数字万用表一块、示波器一台、信号发生器一台、稳压电源一台

2.2 设计过程

2.2.1 手工计算设计 对于低通滤波，可利用运放组成有限增益可控的有源二阶低通滤波器。其电路结构如图2.1所示。

图 2.1 有限增益二阶低通滤波器电路图

为计算简便，设R1=R2=R，C1=C2=C，利用节点电流法，有：

21Vo 1

V ( CS)V SCV 0io Ri

RRHo

（公式2.1）

1V (1 CS)Vo 0

i

RHo R

可得其传递函数为

H(s) S2

对比两式可得

H0

1 (3 H0)RCS (RCS)2

（公式 2.2）

2

H0 0

Q

2

S 0

H0

R3 R411

0 Q （公式 2.3）

RC3 HR30

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当 0 2000 时，取R=330Ω，C=0.47μF，可满足要求，其实际截止频率f=1026.1Hz，取R3=R4=10kΩ，则增益H0为2倍。

2.2.2 计算机仿真

将2.2.1中得到的元件数值和电路在Multisim中进行仿真。其电路图如图2.2。

图2.2 各元件参数及仿真电路

对电路进行交流分析（AC Analysis），获得其频响特性曲线如下：

图2.3 仿真低通频响曲线

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由图2.3可知最大输出电压为10V，已知输入电压设为5V，所以增益满足H=2倍。同时，在10／1.414处，对应的频率f=1.27kHz，还是存在较大偏离。从曲线可以观察到从200到1kHz之间，输出幅值有一个上升的小坡，其影响到实际的输出值。若取输出最大幅值而非100Hz处幅值，则截止频率将会更接近1kHz。另外还可观察到，当频率超过10kHz之后，滤波器阻带抑制特性将会变差。

2.2.3 实际连接与调试

将上文所设计的电路在面包板上连接好，检查无误后接通电源，集成运放采用±12V供电。调整信号发生器的输出频率，观察示波器的波形并记录输出电压。当R1=R2=330Ω时，取100Hz时电压为峰值电压，得截止频率为1300Hz，确实偏离过大，但与仿真吻合的较好。根据公式2.3可知，可以适当增大R1和R2的值，来减小截止频率的值。当R=（330+27）Ω时，截止频率为1150Hz，当R=（330+56+27）Ω时，截止频率为1042Hz，误差为4%，满足设计要求。

当R=413Ω，输入信号电压为3V时，改变输入信号频率，记录输出电压如下：

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根据记录的频响输出电压数据，作出其频响曲线如下：

图2.4 实测低通频响曲线

观察曲线可知其输出满足低通特性，且当f=100Hz时，Vpp=6.20V，增益为2倍左右，当Vo=4.32V时，f=1042Hz，即为截止频率。同时还可以观察到在通带部分有一个小的起伏，并不是很平坦，这也是需要进一步改进的地方，可以通过增大系统的阻尼系数来实现。此外，在超过20kHz之后，可以通过数据表格看出其阻带抑制能力下降，输出波形幅度上升。

2.2.4 带通滤波器设计过程

图2.5 带通滤波器电路图

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带通滤波器采用图2.5所示连接方式。由其节点电压方程可求得其传递函数为：

H(s)

1

sR1C2

111111s2 ( )s ( )

R3C1C2R3C1C2R1R2

（公式 2.4）

为简化设计，取C1=C2=C，R1>>R2，上式经化简成为标准形式：

H(s) 其中

H0( 0/Q)S

（公式 2.5） 22

s ( 0/Q)S 0

H0 R3/(2R1) 0

f011

/(R2R3) Q （公式 2.6） R3/R2 C2BW3dB

根据设计要求，f=1000Hz，BW=Δf=50Hz，且增益H0=2倍，代入公式2.6进行计算，并依据所给的元件值，最终可选：

C=0.1μF R1=7.5kΩ R2=75Ω R3=（10+10+10）kΩ

根据以上参数得到仿真电路如下：

图2.6 带通仿真电路

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在Multisim11.0中选取相应参数元件，连接好电路，采用交流分析（AC Analysis），获得带通电路的频响曲线如下图。

图2.7 仿真带通频响特性曲线

由仿真结果可知 …… 此处隐藏：2742字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……