基于运算放大器的工频信号陷波器设计

目录

第1章摘要 (3)

第2章引言 (4)

第3章基于运算放大器的工频信号陷波器构建 (5)

3.1理论分析 (5)

3.2 参数计算 (8)

3.3 电路组成 (9)

第4章基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试 (11)

4.1 multisim 各频率信号源仿真 (11)

4.2 pspice仿真 (19)

第5章结论 (20)

心得体会 (20)

参考文献 (20)

第1章摘要

本文介绍一种基于运算放大器的工频信号陷波器的设计与制作，简要地介绍了工频信号陷波器的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该陷波器的参数设计和制作过程，通过multisim和pispice的仿真与测试，记录和分析了该陷波器的工作特性与陷波性能，论证了该陷波器的可行性。

该陷波器陷波性能良好，带宽较小，电路线路简单，易于实现，滤波性能方便调整，具有很大的实际应用价值。

第2章引言

工频陷波器是阻带宽度较小的带阻滤波器，它的作用是阻止或滤掉信号中有害分量，达到减少对电路的影响。

工频为一频率单一且固定的某一信号，工频通常和二次谐波及高次谐波同时出现。而有时工频是不需要的，甚至会给其他信号造成很大的干扰。工频陷波器就是为了很大程度地抑制或阻止该种所不需要工频信号，同时对其他频率的信号没有较大的抑制作用。本文所采用基于运算放大器的工频信号陷波器的一种设计方法是DABP带阻滤波器的方法。

高性能的工频陷波器，它应能完全滤除工频和其高次谐波而不衰减其他谐波。要获得这样高的性能，需要Q值很高的滤波器，而且调谐必须非常准确，而DABP带阻滤波器的Q值达到150，适合一般低频窄带滤波器设计。

获得高性能的工频陷波器，采用DABP带阻滤波器来实现陷波可大大提高其性能指标。其实现陷波思路有：先利用DABP带阻滤波器设计每个所要求中心频率的陷波器，然后把各个滤波器串联形成类似于梳状陷波器的带阻滤波器。

工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。

第3章 基于运算放大器的工频信号陷波器构建

3.1理论分析

基于运算放大器的工频信号陷波器设计，用以消除叠加在频率为1kHz 以上的测试信号中所包含的50Hz 工频信号及其高次谐波（最高5次），即设计中心频率分别为50Hz 、100Hz 、150Hz 、200Hz 、250Hz 的窄带陷波器。采用子电路的方法，首先分为设计中心频率分别为50Hz 、100Hz 、150Hz 、200Hz 、250Hz 的5个窄带陷波器。然后把5个陷波器串联，以达到设计要求。最后利用放大单元实现单位增益输出。该窄带带阻滤波器分为六个独立的单元： 1. 50Hz 窄带陷波器。 2. 100Hz 窄带陷波器。 3. 150Hz 窄带陷波器。 4. 200Hz 窄带陷波器。 5. 250Hz 窄带陷波器。 6. 放大系数为K 的放大单元。

电路构建框图和最终电路图如图3.1.1图3.1.2所示

50Hz 陷波器

100Hz 陷波器200Hz 陷波器

250Hz 陷波器

150Hz 陷波器

输入

信号

输出信号

放大单元

图3.1.1基于运算放大器的工频信号陷波器构建框图

R10

R12

R

R C4R11

R

R

C4

R13

R15

R

R C5R14

R

R

C5

R1

R3

R

R

C1

R2R

R

C1

IN

R4

R6

R

R C2

R5R R

C2

R7

R9

R

R

C3

R8R R

C3

R17

R16

VO

图3.1.2基于运算放大器的工频信号陷波器电路图

每个陷波器单元的设计可以独立进行，并满足指定中心频率和带宽要求，基于仅仅需要消除叠加在频率为1kHz 以上的测试信号中所包含的50Hz 工频信号及其高次谐波（最高5次），为了降低带宽，则需要选用高品质因数Q 的电路，本设计选用DABP 带阻电路（Q<150），其电路如图3.1.2所示

R1

R3

R

R

C

R2

R

R

C

IN

OUT

图3.1.3 DABP 带阻电路

DABP 带阻电路的转移函数：

()2232223231

1

2

1

R R C S H S R R R R C S CS R +=++ (1.1.1)

令S j ω→可得，

()22

232223231

12

1R R C H j R R R R C Cj R ωωωω

-=-+ (1.1.2)

将上式化成标准形式()()ON N H j H H j ωω=,则

()2

2001(

)2

1()N H j j Q

ωωωωωωω-=-+

(1.1.3)

令对应系数相等，通过观察可得：2ON H = 令2

22

230

(

)R R C

ωωω=，可得 0231

C R R ω=

123

R Q R R = (1.1.4)

所以DABP 带阻电路的设计方程为

12Q R fC π=

231R R R Q

== (1.1.5) 所以五个陷波器单元串联的转移函数：