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有源模擬帶通濾波器課程設(shè)計(jì)
一 項(xiàng)目目的
電子電路仿真項(xiàng)目是通信工程專業(yè)教學(xué)體系中一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的環(huán)節(jié)。它將模擬電子線
路（低頻部分和高頻部分）、數(shù)字邏輯電路等課程的理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)
驗(yàn)基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。通過本課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生
掌握電子電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、仿真的方法。 二 主要器件介紹
1 濾波器
濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路。其主要作用是讓有用信號(hào)盡可能無衰
減的通過，對(duì)無用信號(hào)盡可能大的衰減。
濾波器一般有兩個(gè)端口，一個(gè)輸入信號(hào)、一個(gè)輸出信號(hào)，利用這個(gè)特性可以將通過濾波
器的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，而得到一個(gè)特定頻率的正弦波。
濾波器，顧名思義，是對(duì)波進(jìn)行過濾的器件。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過程。
2.濾波器的分類
2.1按所處理的信號(hào)
按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。
2.2按所通過信號(hào)的頻段
按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。
低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。
高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分
量。 、
帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪
聲。 、
帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。
2.3按所采用的元器件
按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。
2.3.1、無源濾波器：僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感
元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需
要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用
電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域
不適用。
2.3.2、有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件（如集成運(yùn)算放大器）組
成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不
明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器
的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如
1
集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。
1)基本原理：
有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)
制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部
分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送
入高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）
信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧
波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電
力諧波。
2)應(yīng)用
通信行業(yè)為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行需要，通信配電系統(tǒng)中的UPS使用容量
在大幅上升。據(jù)調(diào)查，通信低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源設(shè)備為UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)
等。其產(chǎn)生的諧波含量都較高，且這些諧波源設(shè)備的位移功率因數(shù)極高。通過使用有源濾波
器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，并且使配
電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計(jì)規(guī)范。
2.4 無源濾波器和有源濾波器，存在以下的區(qū)別：
2.4.1工作原理
無源濾波器由LC等被動(dòng)元件組成，將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗，對(duì)相應(yīng)頻率諧波電
流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動(dòng)式諧波電流旁路通道；而有源濾波器由電力電子元件和
DSP等構(gòu)成的電能變換設(shè)備，檢測(cè)負(fù)載諧波電流并主動(dòng)提供對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的源
電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動(dòng)式電流源輸出。
2.4.2諧波處理能力
無源濾波器只能濾除固定次數(shù)的諧波；但完全可以解決系統(tǒng)中的諧波問題，解決企
業(yè)用電過程中的實(shí)際問題，且可以達(dá)到國(guó)家電力部門的標(biāo)準(zhǔn)；有源濾波器可動(dòng)態(tài)濾除各次諧
波。
2.4.3系統(tǒng)阻抗變化的影響
無源濾波器受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險(xiǎn)；而有源濾波不受影響。
2.4.4頻率變化的影響
無源濾波器諧振點(diǎn)偏移，效果降低；有源濾波器不受影響。
2.4.5負(fù)載增加的影響
無源濾波器可能因?yàn)槌d而損壞；有源濾波器無損壞之危險(xiǎn)，諧波量大于補(bǔ)償能力時(shí)，
僅發(fā)生補(bǔ)償效果不足而已。
2.4.6負(fù)載變化對(duì)諧波補(bǔ)償效果的影響
無源濾波器補(bǔ)償效果隨著負(fù)載的變化而變化；有源濾波器不受負(fù)載變化影響。
2
2.4.7設(shè)備造價(jià)
無源濾波器較低；有源濾波器太高。
2.4.8應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)比分析 1.有源濾波容量單套不超過100KVA，無源濾波則無此限制；
2.有源濾波在提供濾波時(shí)，不能或很少提供無功功率補(bǔ)償，因?yàn)橐既萘浚欢鵁o源濾波則同
時(shí)提供無功功率補(bǔ)償。
3.有源濾波目前最高適用電網(wǎng)電壓不超過450V
，而低壓無源濾波最高適用電網(wǎng)電壓可達(dá)
3000V。
4.無源濾波由于其價(jià)格優(yōu)勢(shì)、且不受硬件限制，廣泛用于電力、油田、鋼鐵、冶金、煤礦、
石化、造船、汽車、電鐵、新能源等行業(yè)；有源濾波器因無法解決的硬件問題，在大容量場(chǎng)
合無法使用，適用于電信、醫(yī)院等用電功率較小且諧波頻率較高的單位，優(yōu)于無源濾波。
3 運(yùn)放741
uA741M，uA741I，uA741C（單運(yùn)放）是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.
這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作。
這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號(hào)范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢弧?/p>
uA741M，uA741I，uA741C芯片引腳和工作說明：
1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空
腳
3
基本電壓正負(fù)5V正負(fù)12V正負(fù)15V。
此次電路還需要示波器等元件。
三 帶通濾波器 1.1 簡(jiǎn)介
帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到
極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對(duì)。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-
電容電路。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。
1.2帶通濾波器的工作原理：[1]
一個(gè)理想的濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并
且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實(shí)際
上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，
尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)
象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄
4
2 二階有源模擬帶通濾波器的設(shè)計(jì)
2 .1基本參數(shù)的設(shè)定
二階有源模擬帶通濾波器電路，如圖1所示。圖中R1、C2組成低通網(wǎng)絡(luò)，R3、C1組成高
通網(wǎng)絡(luò)，A、Ra、Rb組成了同相比例放大電路，三者共同組成了具有放大作用的二階有源模
擬帶通濾波器，以下均簡(jiǎn)稱為二階帶通濾波器。
根據(jù)圖l可導(dǎo)出帶通濾波器的傳遞函數(shù)為
5
式(5)為二階帶通濾波器傳遞函數(shù)典型表達(dá)式，其中ω0稱為中心角頻率。
令s=jω，代入式(4)，可得帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性為
可畫出其幅頻響應(yīng)曲線，如圖2所示。圖中，當(dāng)ω=ω0時(shí)，電壓放大倍數(shù)最大。帶通
濾波器的通頻帶寬度為BW0.7=ω0／(2πQ)=f0／Q，顯然Q值越高，則通頻帶越窄。
6
通頻帶越窄，說明其對(duì)頻率的選擇性就越好，抑制能力也就越強(qiáng)。理想的幅頻特性應(yīng)該
是寬度為BW0.7的矩形曲線，如圖3(a)所示。在通頻帶內(nèi)A(f)是平坦的，而通帶外的各種
干擾信號(hào)卻具有無限抑制能力。各種帶通濾波器總是力求趨近理想矩形特性。
然而實(shí)際設(shè)計(jì)出來的帶通濾波器的幅頻特性曲線，如圖3(b)所示。
在工程上，定義增益自A(f0)下降3 dB(即0．707倍)時(shí)的上、下限頻率之差值為通頻帶，
用BW0.7表示。要求其值大于有用信號(hào)的頻譜寬度，保證信號(hào)的不失真?zhèn)鬏敗?/p>
綜上分析可知：當(dāng)有源帶通濾波器的同相放大倍數(shù)變化時(shí)，既影響通帶增
益A0，又影響Q值(進(jìn)而影響通頻帶BW0.7)，而中心角頻率ω0與通帶增益A0無關(guān)。
3.1.2課題要求 帶通濾波的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：要求設(shè)計(jì)一個(gè)有源二階帶通濾波器，通帶中心頻率為500Hz，通帶中心頻率
處的電壓放大倍數(shù)為10；帶寬為50Hz。根據(jù)要求，選用相應(yīng)的元件實(shí)現(xiàn)帶通濾波器電路，
并對(duì)進(jìn)行仿真和制作，并能利用相關(guān)儀器測(cè)量其技術(shù)指標(biāo)，通過示波器觀察結(jié)果。
通帶中心頻率
通帶中心頻率處的電壓放大倍數(shù)：
帶寬：
設(shè)計(jì)方案
為了能了解二階帶通濾波器在實(shí)際電路中應(yīng)用的效果，設(shè)計(jì)了如圖1的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)
證。圖中U1A部分為放大電路，UlB部分為二階帶通濾波器電路。
根據(jù)式(2)~式(4)，設(shè)計(jì)出了中心頻率在500Hz附近，品質(zhì)因素Q為10，頻帶寬度約為
50Hz的二階帶通濾波器 。
有題可知Q=10 ;f=500HZ;BW=50HZ;Au=10
7
?02?[1/(R2C)2][(1/R)?(1/R3)]
?f?[(1/2?c)]{(1/R1)?(2/R2)?[R5/(R3R4)]}
Q?f0/?f(?f??f0時(shí))
KF?(R4?R5)(R4R12??fC)
KF為中心頻率的放大倍數(shù)常常R4?R5
K0?100/(f0C)?10
經(jīng)查表的到所要的數(shù)據(jù)
由Q=10，K=10，可查表得各電阻阻值.
因?yàn)閗=100/(f。*c)=10
R1?3.183?10?31.83K?
得 R2?1.11?10?11.1K?
R3?3.078?10?30.78K?
R4?R5?6.15?10?61.5K?
8
9
圖5 設(shè)計(jì)電路
仿真波形
圖6
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幅頻特性
圖7
調(diào)試結(jié)果
處于中心頻率時(shí)濾波器顯示圖形如下：
圖8
截止頻率時(shí)示波器顯示波形：
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高低頻時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，示波器顯示波形如下：
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幅頻特性曲線：
四 遇到的問題
在這次實(shí)踐中我們遇到了一些問題，在最后階段的調(diào)試時(shí)，我們才發(fā)現(xiàn)電容用錯(cuò)了，最
后我們不得不重新焊接電路，由于實(shí)踐問題，我們也只能放棄了一個(gè)方案，只焊接了一個(gè)電路。這還是說明我們實(shí)踐的少，希望以后能多實(shí)踐來彌補(bǔ)我們的不足，提高我們的能力。
五 項(xiàng)目總結(jié)
拿到這個(gè)項(xiàng)目之后，我們首先查閱了大量資料，了解了帶通濾波器的基本模型，及公式算法。通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們的動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程中，我們用了兩套方案來實(shí)現(xiàn)題目的要求。通過實(shí)際的操作，調(diào)試，使我們對(duì)濾波器有了更深入的了解。對(duì)于我們通信工程專業(yè)來說實(shí)踐能力又十分重要，所以這次機(jī)會(huì)對(duì)我們來說非常的重要。實(shí)踐是對(duì)課本上知識(shí)的鞏固，通過實(shí)踐我們加深了對(duì)知識(shí)的理解。另外，通過在網(wǎng)上查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)了自身的不足，了解到自身的水平十分有限，需要學(xué)習(xí)的地方還很多，有很多知識(shí)需要自己去拓展，同時(shí)也需要更多的實(shí)踐來完善我們對(duì)知識(shí)的理解。
從理論到實(shí)踐，在整整兩星期的日子里，我們遇到了一些困難和問題，都需要我們自己去解決，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，這些東西都是課本所不能學(xué)到的，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際
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動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。
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