信号波形的产生与滤波电路

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武汉工程大学
课程设计
说明书
课题名称：信号波形的产生与滤波电路
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武汉工程大学教务处
目录
摘要 (II)
Abstract (III)
第一章绪论.......................................................................................... (1)
1.1 技术发展.............................................................................. . (1)
1.2 本课题研究内容………………………………..…………………………… .. x
第二章系统方案设计 (x)
2.1 任务分析............................................................................ (x)
2.2 三种方案比较...................................................................... (x)
2.3 方案选择......................................................................... (x)
第三章系统硬件设计…………………………………………………………… ..x
3.1 总体框图...................................................................... (x)
3.2 单元电路设计与参数选择................................................. (x)
第四章系统调试 (x)
4.1 测试仪表................................................................ (x)
4.2 单元电路测试............................................................. (x)
4.3 系统总体测试............................................................. (x)
4.4 指标测试分析与改进方法
总结 (x)
致谢 (x)
参考文献 (x)
摘要
滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波器。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。

用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个能够低通、高通、带宽、阻带等多种形式的滤波器。

本设计利用迟滞电压比较器方波产生电路，产生10KHz的方波信号,方波信号是一种应用极为广泛的信号，它在科学研究、工程教育及生产实践中的使用也非常普遍，将产生的10KHz频率的可调方波信号通过带通滤波器，利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择，通过有源滤波器产生一个10KHz的正选基波信号，得到峰峰值为6V以上的正弦信号，最后由电压放大电路将信号进行不失真放大，从而产生所需信号.
关键词：方波信号迟滞比较器带通滤波器电压放大
Abstract
Filter is very important in their daily lives, the use of a very wide range in electronic engineering, communications engineering, automatic control, telemetry control, measuring instruments, meters and computer technology, often need to use a variety of filters. With the rapid development of IC, IC can easily pose a variety of filters. Implemented in integrated circuit filters and other filter, the waveform quality, amplitude and frequency stability
performance has greatly improved. The filter has a very wide range of applications in circuit experiments and equipment testing. Now we are by principle and structure of the filter's design a low pass, high pass, bandwidth, stopband and other forms of filters.
This design uses hysteresis voltage comparator square wave generating circuit to generate 10KHz square wave signal, square wave signal is the signal of a wide range of applications, it is also very common in science, engineering, education and production practice, will produce the 10KHz frequency, tunable square wave signal through a bandpass filter, the frequency characteristics of the circuit realization of the choice of signal frequency components, the active filter is selected to produce a 10KHz fundamental signal, to get the peak value of 6V or more sinusoidal signal by the voltage amplifier, the signal is not distorted amplification, resulting in the desired signal.
Keywords：Square Wave Signal Hysteresis Comparator Band-pass Filter
V oltage Amplification
第一章绪论
1.1 设计课题的背景、目的、意义
1.背景：
经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。

2.设计目的：
（1）掌握迟滞比较器，滤波电路及放大电路的设计思路和设计方法.
（2）掌握信号发生器及示波器的基本用法.
3. 意义：增强动手能力，通过实践对滤波器进行进一步认识。

1.2 设计要求
（1）设计迟滞比较器方波产生电路，频率为10KHz可调
（2）设计一有源滤波器，经滤波电路得到的正弦信号幅度峰峰值为6V 以上。

1.3 设计内容
1、了解信号波形的产生与滤波电路的基本工作原理
2、完成信号波形的产生与滤波电路的设计并分析计算单元电路，对元器件进行选型。

3、绘制信号波形的产生与滤波电路的设计电路图
4、组装、调试信号波形的产生与滤波电路的设计电路
5、进行实物检查、设计答辩并完成设计报告
1.4 信号波形的产生与滤波电路的设计
1.5 设计器件
第二章方案论证与比较
1. 方案原理
模拟带通滤波器一般是用电路元件(如电阻、电容、电感)来构成我们所需要的频率特性电路。

模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻和电感参数的配置，使得模拟滤波器对基波呈现很小的阻抗，而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把基波信号提取出来。

目前，有些有源滤波器利用模拟电路实现带通滤波器检测负载电流的基波分量，并且在实际中得到了应用。

2.优点:
滤波器对基波呈现很小的阻抗, 而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把基波信号提取出来.
3. 缺点:
由于模拟滤波器的中心频率对电路元件(如电容，电阻，电感)的参数十分敏感，较难设计出合适的参数，而且电路元件的参数会随外界环境的干扰发生变化，这会导致中心频率的偏移，影响滤波结果的准确性。

第三章设计划分
3.1 方波产生电路
1 设计电路图：
2 设计原理:
该电路实际上就是在迟滞比较器的基础上加了一个积分回路，迟滞比较器自身的特点有两个阈值电压+FVz和-FVz，再接通电源的瞬间，输出电压处于不定状态，假设输出电压偏于正向饱和，即Vo=+Vz时，加到电压比较器同相端得电压为+FVz，而加于反相端的电压，由于电容上的电压不能突变，只能由输出电+FVz时，输出电压迅速翻转到-Vz,-Vz又通过R3对C 进行反相充电，知道Vc略负于-Vz值时，输出状态再次发生翻转。

如此循
环不已，形成一系列的方波。

3 作用：产生10KHz 的可调方波信号.
4 参数计算：设t=0时，Vc=-Vz ，则在2T 时间内，电容C 上的电压将以指数规律由-FVz 向+Vz 方向变化，电容器端电压随时间变化规律为
()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+-=-C R t z c F v t v 311)( 设T 为方波的周期，当 2T t =时，Z c FV T v =)2(,带入上式，可得
()z C R T z c FV e F V T v =⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+-=-3211)2(1R
对T 求解，得 ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=-+=12331ln 211ln 2R R C R F F
C R T
如适当选取 1R 和2R 的值，可使得11ln 12=⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛+R R ,即F=0.462，
则振荡周期可简化为T=2C R 3，振荡频率为C
R T f 321
1==。

在Multisin 仿真电路上连接
迟滞回路比较器的实现电路，用AD9631作为电路的电压比较器，用示波器
检测输出端口的波形，检查频率和幅值是否在要求的分范围内 ，一边调试一边计算。

调试出一个最合适的参数，经调试得1R 选为860Ω，2R 选为1ΩK ，3R 选为2ΩK ，C 选为0.025uF 。

5 电路产生的方波信号如图所示：
5
可以看到边沿部分有点纹波，不平稳，但这是在误差范围之内的。

3.2 有源带通滤波电路
1 设计电路图：
2 设计原理
迟滞比较器输出的方波信号包含极丰富的谐波，即是由很多个频率不同的正弦谐波叠加而成，从滤波电路中输入时，其低次谐波和高次谐波都被滤去，只有频率为10KHZ的正弦谐波被保留下来，没有衰减，因此输入为10KHZ的方波时输出为同频率的正弦波，10KHZ既是方波的频率也是滤波电路的中心频率。

3 作用：
产生的方波信号经过射极跟随器后经过两级无限增益多路反馈带通滤波器，在最后一级进行放大。

4 参数计算：
滤波电路中性能参数有：中心角频率0w 或0f ，在所有频率中0w 对应的增益最大为v A ；带宽BW=H w -L w 或BW=H f -L f ，其中H w 称为上解直角频率，L w 为下截止角频率；品质因数Q=BW f 0或Q=BW w 0,Q 值越高，滤波器的选择性越好，衰减速率越高，但Q 值也不能太高，否则会使电路难以调整，一般取 10≤Q 较好。

1，设计要求滤波器的中心频率是10KHZ,即0f =10KHZ,先确定一个电容的标称值为0.002uF,由C
f K 0100
=
=41002.0100⨯=5(公式中C 的单位是uF ）。

2，这里取Q=10，查表得Q=10时，得v A =2、K=1时的电阻值1R =Ωk 915.15，
Ω=K R 332.22,Ω=K R 166.13,Ω==K R R 664.454。

3，将上述电阻值乘以参数K=5，得Ω=K R 575.791,取标称值79.7K Ω； Ω=K R 83.53,取标称值5.8ΩK ；R2=ΩK 66.11,取标称值11.68ΩK ,Ω==K R R 33.2354,取标称值23.3Ωk 。

4，其用到的公式有： ⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+=31
220111R R C R w BW
w Q 0
=
或BW f 0
(BW 远小于0w 时）
()214
5
≤+=V v A R R A
5 电路产生的波形如图所示：
2.3 直流电源
1 电路图：
2 设计原理：
直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

四个环节的工作原理如下：
电源变压器：是降压变压器，它将电网220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui 变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C 满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T 为输入交流信号周期，为整流滤波电路的等效负载电阻.
稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网
电压和负载的变化而变化。

3 作用：
能为负载提供稳定直流电源。

直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。

4 参数估计：
由于是整流桥，所以每只二极管锁车感受的最大方向电压：
12U U BM ==2*12=17V 对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流：
R
U I R 145.021= < 1 整流之后的电压2U =(1.1-1.2）1U ,1U 为副边电压。

RC 滤波电路中，C 的选择应适应下式，即RC 放电时间常数应满足：RC=(3-5）2T ,式中T 为输入
交流信号周期：R 为整流滤波电路的等效负载电阻，阻值一般较小。

第四章 电路设计图和实物图连接
实物图连接：
输出频率
中心频率：634HZ
通频带：531HZ~964HZ 滤波电路增益：4.2
频率虽然与设计时的数据偏差较大，但仍是满足要求的。

c 带宽BW
BW=L H f f -=964-531=433HZ
总结
课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次设计，本人在多方面都有所提高。

通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握设计的方法和步骤，怎样确定方案，了解了的设计的基本结构同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出设计能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的戴老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的完成，都离不开老师您的细心指导。

老师您悉心的指导帮助我们顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我们帮助过的同学们，谢谢你们对我们的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。