基于通用阻抗转换器的窄带带通滤波器的设计.doc

1、燕山大学课程设计说明书 目 录第一章 摘要3第二章 总体设计思路4第三章 带通滤波器的相关设计43.1滤波器原理43.2带通响应53.3无源带通滤波器原形7第四章 通用阻抗转化器相关设计74.1通用阻抗转换器原理74.2相关参数选取及计算9第五章 设计电路的仿真模拟10 5.1 Multisim10.0简介10 5.2设计电路图11 5.3仿真分析11第六章 心得体会13参考文献14第一章 摘 要本文介绍了一种窄带带宽滤波器的设计方案，简要的介绍了阻抗转换器的工作原理，并详细地介绍了该滤波器的参数设计过程，通过multisim的仿真与测试，记录和分析了该发生器的工作特性与性能，给出了仿真数据。

2、关键字：窄带带宽滤波器 阻抗转换器 multisim第二章 总体设计思路通过设计题目大体可知道本设计内容包括两个部分，一个通用阻抗转换器部分，另外就是窄带带通滤波器的电路设计部分。其中阻抗转换器是包含于窄带带通滤波器的电路当中的，阻抗转换器的作用是代替等效的接地的电感，它们的关系图如下图所示：通用阻抗转换器窄带带通滤波器由上面的结构框图可知,在下面的具体设计过程中也包括两个部分，分别是带通滤波器设计和阻抗转换器单元的设计。第三章 带通滤波器相关设计3.1滤波器原理根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带

3、阻滤波器（BEF）四种。图4-1 分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。 图3-1 四种滤波器的幅频特性滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC 元件或RC 元件构成的无源滤波器，也可由RC 元件和有源器件构成的有源滤波器。滤波器的网络函数H（j），又称为正弦传递函数，它可用下式表示：式中A()为滤波器的幅频特性，()为滤波器的相频特性。它们均可通过实验的方法来测量。根据设计要求，本设计将采用有源带通滤波器，而带通滤波器又包括一阶和高阶的带通，接下来我们讨论一下标准带通响应

4、中的相关参数。3.2带通响应 我们这里将以二阶带通响应为例来介绍其相关参数。所有二阶带通函数的标准形式是式中为谐振增益，而当远小于1时，可以忽略分母中第二项和第三项，因此当远大于1时，分母中第二项起主要作用，因此当等于1时，得到可以证明，无论Q取何值，在等于1处最大，因此被称为峰值或谐振频率。对于不同的Q值，幅度图所有曲线的峰值都为0dB，对应于Q值较低的曲线形状较宽，而对应于Q值较高的曲线形状较为狭窄，这表明它具有比较高的选择性。虽然在远离谐振处频率处，高选择性曲线斜率还是最后滚降到正负20dB/dec，但在等于1区域附近，这些曲线的斜率要比正负20dB/dec更为陡峭。为了定量表示选择性，

5、现引入带宽的概念：式中和都是-3dB频率，在该频率处的响应比它的最大值低3dB，其中：谐振频率是中和的几何均值，这表明在对数坐标轴上位于和之间的中点，显然，带宽越窄，滤波器的选择性越好，选择性还依赖。这是因为，BW=10rad/s和=2krad/s的滤波器的选择性明显优于BW=10rad/s和=100rad/s的滤波器。一种有效度量选择性的方法是求/BW的比值。Q就是选择性，现在我们对这个参数又有了一个具体的理解。3.3无源带通滤波器原形无源带通滤波器的原形电路图如下图所示：图4-2 无源带通滤波器的原形电路图其中电压表所测L1两端电压为U0第四章 通用阻抗转换器相关设计4.1通用阻抗转换器原

6、理阻抗转换器是一种有源RC电路，可用来在有源滤波器综合电路中模仿像电感一类与频率有关的器件。在多种不同结构中，通用阻抗转换器(GIC)是应用最为广泛的一种，它不仅可以模仿电感，而且还可以综合出和频率有关的电阻图4-1通用阻抗转换器及GIC对地的等效阻抗为了求出从A点看进去的等效阻抗Z，可在上图所示的电路中加一个测试电压V，会产生电流I，于是就有Z=V/I，由于运算放大器都有所以可将两个运算放大器输入端电压都标记成，由欧姆定律可得：然后分别在和和的公共节点以及和的公共节点对电流求和，可得：消去和，对Z=V/I求解，可得：可以根据到不同的元件类型来将电路组成各种不同的阻抗类型，其中就可组成模仿电感

7、的电路除了和是电容以外，其他的Z都是电阻，令,可得：由此可知，该电路模仿的是一个接地电感。如果需要的话，可以通过调节其中的电阻如来改变它的电感值。图5-2电感模仿器4.2相关参数选取及计算由设计要求可知中心频率为1KHz，带宽为10Hz，Q为50先通过RLC原形图可得,展开整理后可得：其中,令C=1uF，可得L=2.533H ，R=8k接下来确定GIC电路中的元件值，现在采用相同大小的电阻和电容来简化元件选择，因此 , 这种电阻分布方便调节，可通过或来调节，通过调节R来调节Q,尽管电路采用了两个运算放大器而不是一个，但是可以证明，如果它们的开环频谱特性相互匹配（对双运算放大器来说通常就是这样）

8、，那么运算放大器就会互相补偿对方的缺陷，从而使实际的和Q对它们的设计值偏离很小，这就是DABP滤波器的优点。第五章 设计电路的仿真模拟5.1 Multisim10.0简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教

9、育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。5

10、.2 设计电路图这次的设计过程是在Multisim仿真软件的环境下进行的根据上两章节的理论分析及阐述，再到参数选取及计算，最终画出设计电路图，如下图所示：图5-1基于阻抗转换器的窄带带通滤波器电路图5.3 仿真分析这里我们使用波特图示仪来呈现结果，仿真结果如下图所示：图5-2波特图示仪仿真波形由上图可明显看出，中心频率为1KHz，虽然存在一定偏差，由于带宽只有10Hz，相对于波形来说过小，必须放大到很大才能看清，但还是能满足设计要求。第六章 心得体会为期一周的测控电路课程设计，让我在很多方面都有了收获。这次的测控电路课程设计运用了Multisim软件，从中使我发现了自己对理论知识掌握还不够扎实

11、，对一些知识点存在着错误的认识。通过这次课程设计，我明白了，学习是一个长期积累的过程，在以后的学习生活乃至工作中，都要不断努力学习理论知识，不断提高自己的理论水平。在这一周的时间里，我有很多搞不明白的问题，但是经过同学们的指点，就会有种豁然开朗的感觉，那些问题也就迎刃而解，可见团队合作的重要性。还通过查阅资料、上网学习，终于解决了剩余问题，在这一过程中，收获颇丰，学习到了很多新的知识，对一些知识点有了更深刻的认识和见解。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造

12、过程中探索的艰难和成功时的喜悦。课程设计让理论联系了实际，即加强了知识的掌握，又锻炼了对工程实际当中遇到的问题解决问题的能力，希望以后能多有这样的机会来不断提升自己。参考文献1、 基于运算放大和模拟集成电路的电路设计 【美】赛尔吉欧.佛郎哥 著 刘树棠 朱茂林 荣玟 译 2、模拟电子技术 康华光主编 高等教育出版社3、电路理论 邱关源主编 高等教育出版社4、数字电子技术 阎石主编 高等教育出版社燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：该生学习态度 （认真 较认真 不认真） 该生迟到、早退现象 （有 无）该生依赖他人进行设计情况 （有 无）平时成绩： 指导教师签字： 年 月 日图面及其它成绩：答辩小组评语：设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。 设计合理，实现设计要求。 实现了大部分设计要求。 没有完成设计要求，或者只实现了一小部分的设计要求。 答辩成绩： 组长签字： 年 月 日课程设计综合成绩：答辩小组成员签字： 年 月 日共15页 第15页