電子測量課程設計報告

　　電子測量與虛擬儀器課程設計是電子科學與技術學習中非常重要的一個環節，是將理論知識和實踐能力相統一的一個環節，是真正鍛煉學生能力的一個環節。下面小編為你整理了電子測量課程設計報告，希望能幫到你！

　　題目：有源高通濾波器的設計

　　一、設計思路

　　有源濾波器是一種由RC和放大電路網絡構成的濾波器。它的特點是各級濾波器的輸出阻抗與截止頻率fc無關，而且這個輸出阻抗可以做得很低，前后級帶負載能力更強；前后級之間相互獨立地設計、確定各級濾波器的截止頻率以及品質因數Q值的RC參數。

　　濾波器的頻率響應主要有五種：1、Butterworth特性2、Bessel特性3、Chebyshev特性4、橢圓特性。其中：

　　Butterworth特性最大平坦；

　　Bessel特性濾波器與階數相同的其它濾波器相比，有最快的相應速度，但截止特性緩慢在截止頻率前后形成明顯的肩部；

　　Chebyshev特性濾波器在通過區域允許的波動下截止特性具有非常大的傾斜，且各級截止頻率不同；

　　橢圓特性濾波器比Chebyshev特性有更加陡峭的衰減特性。

　　設計采用四階Butterworth特性濾波器，電路結構簡單，參數計算簡潔，-80dB衰減。

　　二 參數選擇計算

　　fc=20 Khz, fc= 電阻成為放大器的負載，所以下限值約為1k,而且這些電阻會因放大器的偏置電流而產生直流失調電壓，由此上限應為幾十k左右。電容C若選的太大，對應的R過小，會不滿足要求，C一般滿足大于100pF且小于10nF。所以選擇C=1 nF,對應的R=8.2k。

　　根據Butterworth特性歸一化表

　　表1

　　選取R5=62 k,R6=(1.152-1)R5=9.42k　　計算R5-R8的阻值如下：

　　R7=20k,R8=(2.235-1)R7=24.7k

　　三 元件清單

　　調試部分

　　一、接線調試

　　1、按照原理圖接線完畢后，測量各連接點是否開路。

　　2、檢查示波器是否正常。

　　3、將信號源的輸出端接在濾波器的輸入，濾波器的輸出接在示波器的輸入端；信號源、示波器、電路中所有的接地端都與電源的地相連。此時示波器顯示經過濾波的信號。

　　發現有一下幾點問題：

　　1、波形嚴重失真。經過很多次檢查電路、更換R、C元件及增益電阻、測量后發現波形失真表現在：

　　1、毛刺很多

　　2、削波，波峰波谷處為一直線，或波谷完整，波峰出現削波

　　3、低頻信號波形無失真或失真很小，但高頻信號時失真嚴重，毛刺很多，根本不是正弦波

　　4、低頻信號毛刺很多，到高頻時有所好轉，波形光滑，但近似于三角波，說明并不是真正的好轉

　　5、正半周期是三角波，負半周期近似與正弦波，但比正弦波平緩

　　2、截止頻率并不在20 kHZ，大約在25k左右

　　3、截止頻率20k，但在40k左右時信號開始衰減，并且衰減非常嚴重，到120k時接近于0V，以至于接近帶通濾波器

　　4、波形只有正半周期無負半周期

　　二、解決方法

　　針對這些問題我一一做了實驗找到癥結所在。

　　1、出現毛刺有部分原因是接觸問題，也有電容值不相等的因素。毛刺較多且較大時接觸問題是主要因素。當整體波形較光滑，只在幾個點上有小毛刺時是電容的問題。這一點很好理解。電容兩端的電壓不可以跳變，在電阻相等的情況下，兩個電容不相等時，積分的斜率就會發生變化，由此產生小毛刺。更換電容及處理好接觸的問題后，毛刺問題比較好的解決了。另外，調節電路的通道增益也可減小毛刺的影響。具體做法如下：

　　將電路中調節增益的R7、R8、R12換成電位器104以實現增益的連續調節。先將第一級輸出接到示波器上，邊調節電位器邊觀察波形變化。當增益增大時，毛刺會慢慢變小，曲線變得平滑，最后總能找到一個固定的電阻值，使輸出無失真。再用同樣的方法調節第二級的電位器，使最后的輸出波形無失真。

　　此外，放大器也會引入干擾信號。這一點可以從RC無源濾波實驗找到證明。我做了一個二階RC無源濾波實驗，當調整電容、增益的值使輸出信號波形良好無失真后，再插上放大器構成有緣濾波器，結果輸出出現毛刺，并且LM324插入深度和干擾有直接的影響。反復調整LM324的位置，并測量管腳的電平，保證在LM324正常工作的情況下消除了放大器管腳引入的干擾。

　　2、尖波的原因部分來自于毛刺。當增加信號頻率時，毛刺看起來會消失，波形也算光滑，波峰波谷若有毛刺將會直接變為尖波，使波形近似于三角波。而且尖波的問題不是一個獨立的問題，毛刺會消失很大程度上在于問題3，也就是信號衰減的因素。當信號衰減時，幅值減小很快，相應的干擾信號下降的更快。如果在低頻段時波峰波谷處或是附近有毛刺，這時候就會轉變成尖波。可以說尖波涉及了毛刺和高頻衰減兩個重要的問題。

　　3、削波問題在這不是幅值失真問題。因為LM324N接正負12V的電源，而輸出信號的電壓始終控制在2V左右。這個問題困擾了很久，比毛刺和尖波出現的次數少。由此我斷定是接線時不仔細導致。事實證明80%的削波是這樣產生的，還有10%由接觸不良導致或接地端未接好引起。而且波形只有正半周期而無負半周期也可歸為此類問題。

　　4、信號在40k時開始衰減是最麻煩的問題，因為做之前根本沒有考慮過會有衰減，不知道這是什么因素引起的。十幾次實驗時波形已經調的很好了，但衰減一直存在。解決過程如下：

　　1、四階高通濾波器是由兩個二階濾波器級聯而成的。第二級的輸入完全就是第一級的輸出。所以四階時高頻部分有衰減很有可能是第一級、第二級中的某一級衰減，也有可能兩級都對高頻信號造成了衰減。

　　2、根據這個道理，我又做了多次二階高通濾波器的實驗。將控制增益的電阻換成電位器，這樣可以方便地實現增益調節。發現有一部分實驗中不會出現這個問題，一部分出現這個問題時，更換電容可以解決；另一部分出現這個問題時，更換電阻可以解決。當固定兩個電阻完全相等時，調節電容即可。

　　3、做一階濾波實驗時不會產生高頻衰減，而且調節電位器只會對信號的幅值產生影響（此時調節電位器還可以消除毛刺，見解決問題1）。

　　4、再做二階實驗，發現當兩個電阻相等時，測量得到的兩個電容值若相等，則不會產生衰減；若不等，就會有衰減。

　　推測：高頻衰減的問題是由電容、電阻不相等造成的。

　　5、重復二階實驗2次，確定推測是正確的。

　　這樣，終于找到了高頻衰減的原因。雖然在理論上只要滿足fc= 即可，但在實際實驗中對電容電阻的要求卻非常高。選擇了完全相等的電容后，高頻衰減的問題就解決了。

　　但還應認識到：當頻率很高時，電容會產生寄生效應。當頻率高到一定程度時，電容的阻抗會下降，就會出現衰減變大的現象。在理想的狀況下，頻率再高電壓增益也不會隨頻率升高而下降。之所以電壓增益會隨頻率升高而下降，是因為所用的運放的帶寬增益乘積有限。一個運放的帶寬增益乘積決定的它的頻率適用范圍。

　　5、截止頻率>20k：由fc= 得：固定C不變，fc增加，R就減小。現在要使fc減小，R應該增加。試過幾組電阻后，發現當R=9.7時，fc=20k HZ

　　對上述問題、產生原因及解決方法列表如下：

　　表2

　　樣看來，各個單獨的問題都找到了原因，那么是不是只要嚴格按照每個問題對應的解決方案就可以做出很好的波形呢？當然是不一定的。這更需要耐心的調試。此時的波形已經比最初好了很多。但也有新的問題：　　由此可見，理論與實際的差異有多么大，實際結果與仿真的差異也很大。這

　　頻率在20k以下時，信號按照預定的規律衰減；在20k-30k時信號的幅值并沒有保持不變，而是有所上升；當頻率超過30k后，幅值又會下降，對應的幅頻特性曲線就會有一個“肩部”。

　　Butterworth特性響應時平穩上升的，沒有增益的起伏。實際的曲線就不符合Butterworth特性響應了。我嘗試了更換小的電容，對應的電阻值就變大，電阻調節范圍更大。多次實驗后終于找到了一個固定的電阻可以有效的改善幅頻特性。但問題還是存在的，只不過幅值增加的幅度減小了。我又調節電位器，發現當第一級的增益減小時，幅頻特性會有改觀，但會引起總增益的減小。同時增大R5的值有利于穩定第一級輸出。所以我改變電路參數，將第一級運放的負端與輸出端短接，并且增大R5，這樣第一級就完全沒有增益，使第一級帶負載能力更強；整個電路的增益都放到第二級去完成。這樣幅頻特性“肩部”的問題就很好的解決了）。此問題是在解決了上述所有問題的基礎上發現的，故沒有列入表3。

　　實際的元件清單：

　　至此，四階有緣高通濾波器就完成了，輸出波形從低頻到高頻均無絲毫失真，幅頻相應曲線符合設計要求。

　　由此可見，我最終完成四階有源高通濾波器的過程：連好第一級的電路——調節電位器、電容、電阻值——輸出波形無失真——連第二級電路——輸出無真——將兩級級聯起來，同時調整兩個電位器至波形無失真——將電位器換成電阻提高電路的穩定性。

　　從調試過程可以看出，由Butterworth特性設計出來的有源高通濾波器具有平坦上升的特性，它結構簡單，參數計算簡單，但對于元器件的精度要求較高，調試工作的難度大大增加。在一些對于濾波精度要求不高的地方，Butterworth可以發揮很大的作用，要想獲得更高精度的高通濾波器，簡單的有源濾波器就不能滿足設計要求了。

　　四、體會收獲

　　通過這次課程設計，我熟悉掌握了示波器應用，對于有源高通濾波器的原理、設計電路有了深入的認識。檢查電路的能力有了提高，分析問題解決問題的能力得到了鍛煉。做任何事要符合事情的發展規律，由簡到難，由淺入深，切不可想當然。比如說我看到電路圖很簡單，原理也很清楚，一開始就做四階有源高通濾波器，結果發現很多問題。起先不知道這些問題由什么引起，處理方法只是簡單的拆了重連，浪費了不少精力；后來才將問題分類，分為波形失真、高頻衰減等問題，并將波形失真再細分為若干小問題，然后一一找到解決的方法。另外，做四階濾波器時，應先檢查兩個二階濾波器的輸出是否符合要求，尤其是第一級的二階濾波器。因為很多次實驗中我都是第一級的二階濾波器的輸出就不理想，這樣要想從最后的輸出得到理想的波形就不太可能了。遇到問題冷靜分析。比如高頻衰減的問題，我解決時就經歷了從四階濾波器到二階濾波器，再到一階濾波器的分析過程，逐級排查，找到癥結所在。再比如電位器的使用對實驗成功有著巨大的貢獻。電位器實現了增益的連續可調，減少了更換電阻的麻煩。學會用Protel軟件進行簡單的PCB板設計。

　　對于這次課程設計我總結如下：

　　具體到電路方面主要有

　　1、電容、電阻的值對電路有極其重要的影響。選擇了精確的電容電阻可以解決實驗中很多問題。

　　2、電位器的使用給實驗帶來了很大的方便，也拓寬了元器件的選擇范圍。

　　3、控制電路增益的電阻影響到電路的多個方面，比如消除波形的毛刺，調整增益，調整衰減。應妥善選擇。

　　4、所有元件的管腳都會引入干擾，因此在布線時應盡量簡單，減少導線的使用。

　　5、導線間也會有電容，會給實驗結果造成干擾。尤其是本設計采用的電容并不大，線間電容帶來的干擾作用就更大。布線時要特別注意。

　　6、對于電路，連接好一部分就檢測一部分，不要等到全部連好了再檢測，這樣不僅加大了檢測的工作量和難度，也會使電路調好的概率大大降低。

　　7、逐級找到問題的源頭，先將各小部分調試到理想狀態，再組合成整體進行調試。

　　8、良好的布線習慣不僅會讓電路顯得美觀，查線時也會減小工作量，也可降低干擾對電路的影響。

　　9、不可想當然，不可掉以輕心

　　10、正視理論與實際的差別，尊重實際的結果。正視仿真，仿真只是對理論的一種檢驗，與實際也會有很大的差別

　　11、遇到很多問題不退縮，將問題分類，找出共性與個性，現著重解決大類問題，再對剩余的小問題逐個擊破。

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