电子测量课程设计报告

电子测量课程设计报告

　　电子测量与虚拟仪器课程设计是电子科学与技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。下面小编为你整理了电子测量课程设计报告，希望能帮到你！

　　题目：有源高通滤波器的设计

　　一、设计思路

　　有源滤波器是一种由RC和放大电路网络构成的滤波器。它的特点是各级滤波器的输出阻抗与截止频率fc无关，而且这个输出阻抗可以做得很低，前后级带负载能力更强；前后级之间相互独立地设计、确定各级滤波器的截止频率以及品质因数Q值的RC参数。

　　滤波器的频率响应主要有五种：1、Butterworth特性2、Bessel特性3、Chebyshev特性4、椭圆特性。其中：

　　Butterworth特性最大平坦；

　　Bessel特性滤波器与阶数相同的其它滤波器相比，有最快的相应速度，但截止特性缓慢在截止频率前后形成明显的肩部；

　　Chebyshev特性滤波器在通过区域允许的波动下截止特性具有非常大的倾斜，且各级截止频率不同；

　　椭圆特性滤波器比Chebyshev特性有更加陡峭的衰减特性。

　　设计采用四阶Butterworth特性滤波器，电路结构简单，参数计算简洁，-80dB衰减。

　　二 参数选择计算

　　fc=20 Khz, fc= 电阻成为放大器的负载，所以下限值约为1k,而且这些电阻会因放大器的偏置电流而产生直流失调电压，由此上限应为几十k左右。电容C若选的太大，对应的R过小，会不满足要求，C一般满足大于100pF且小于10nF。所以选择C=1 nF,对应的R=8.2k。

　　根据Butterworth特性归一化表

　　表1

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

　　R7=20k,R8=(2.235-1)R7=24.7k

　　三 元件清单

　　调试部分

　　一、接线调试

　　1、按照原理图接线完毕后，测量各连接点是否开路。

　　2、检查示波器是否正常。

　　3、将信号源的输出端接在滤波器的输入，滤波器的输出接在示波器的输入端；信号源、示波器、电路中所有的接地端都与电源的地相连。此时示波器显示经过滤波的信号。

　　发现有一下几点问题：

　　1、波形严重失真。经过很多次检查电路、更换R、C元件及增益电阻、测量后发现波形失真表现在：

　　1、毛刺很多

　　2、削波，波峰波谷处为一直线，或波谷完整，波峰出现削波

　　3、低频信号波形无失真或失真很小，但高频信号时失真严重，毛刺很多，根本不是正弦波

　　4、低频信号毛刺很多，到高频时有所好转，波形光滑，但近似于三角波，说明并不是真正的好转

　　5、正半周期是三角波，负半周期近似与正弦波，但比正弦波平缓

　　2、截止频率并不在20 kHZ，大约在25k左右

　　3、截止频率20k，但在40k左右时信号开始衰减，并且衰减非常严重，到120k时接近于0V，以至于接近带通滤波器

　　4、波形只有正半周期无负半周期

　　二、解决方法

　　针对这些问题我一一做了实验找到症结所在。

　　1、出现毛刺有部分原因是接触问题，也有电容值不相等的因素。毛刺较多且较大时接触问题是主要因素。当整体波形较光滑，只在几个点上有小毛刺时是电容的问题。这一点很好理解。电容两端的电压不可以跳变，在电阻相等的情况下，两个电容不相等时，积分的斜率就会发生变化，由此产生小毛刺。更换电容及处理好接触的问题后，毛刺问题比较好的解决了。另外，调节电路的通道增益也可减小毛刺的影响。具体做法如下：

　　将电路中调节增益的R7、R8、R12换成电位器104以实现增益的连续调节。先将第一级输出接到示波器上，边调节电位器边观察波形变化。当增益增大时，毛刺会慢慢变小，曲线变得平滑，最后总能找到一个固定的电阻值，使输出无失真。再用同样的方法调节第二级的电位器，使最后的输出波形无失真。

　　此外，放大器也会引入干扰信号。这一点可以从RC无源滤波实验找到证明。我做了一个二阶RC无源滤波实验，当调整电容、增益的值使输出信号波形良好无失真后，再插上放大器构成有缘滤波器，结果输出出现毛刺，并且LM324插入深度和干扰有直接的影响。反复调整LM324的位置，并测量管脚的电平，保证在LM324正常工作的情况下消除了放大器管脚引入的干扰。

　　2、尖波的原因部分来自于毛刺。当增加信号频率时，毛刺看起来会消失，波形也算光滑，波峰波谷若有毛刺将会直接变为尖波，使波形近似于三角波。而且尖波的问题不是一个独立的问题，毛刺会消失很大程度上在于问题3，也就是信号衰减的因素。当信号衰减时，幅值减小很快，相应的干扰信号下降的更快。如果在低频段时波峰波谷处或是附近有毛刺，这时候就会转变成尖波。可以说尖波涉及了毛刺和高频衰减两个重要的问题。

　　3、削波问题在这不是幅值失真问题。因为LM324N接正负12V的电源，而输出信号的电压始终控制在2V左右。这个问题困扰了很久，比毛刺和尖波出现的次数少。由此我断定是接线时不仔细导致。事实证明80%的削波是这样产生的，还有10%由接触不良导致或接地端未接好引起。而且波形只有正半周期而无负半周期也可归为此类问题。

　　4、信号在40k时开始衰减是最麻烦的问题，因为做之前根本没有考虑过会有衰减，不知道这是什么因素引起的。十几次实验时波形已经调的很好了，但衰减一直存在。解决过程如下：

　　1、四阶高通滤波器是由两个二阶滤波器级联而成的。第二级的输入完全就是第一级的输出。所以四阶时高频部分有衰减很有可能是第一级、第二级中的某一级衰减，也有可能两级都对高频信号造成了衰减。

　　2、根据这个道理，我又做了多次二阶高通滤波器的实验。将控制增益的电阻换成电位器，这样可以方便地实现增益调节。发现有一部分实验中不会出现这个问题，一部分出现这个问题时，更换电容可以解决；另一部分出现这个问题时，更换电阻可以解决。当固定两个电阻完全相等时，调节电容即可。

　　3、做一阶滤波实验时不会产生高频衰减，而且调节电位器只会对信号的幅值产生影响（此时调节电位器还可以消除毛刺，见解决问题1）。

　　4、再做二阶实验，发现当两个电阻相等时，测量得到的两个电容值若相等，则不会产生衰减；若不等，就会有衰减。

　　推测：高频衰减的问题是由电容、电阻不相等造成的。

　　5、重复二阶实验2次，确定推测是正确的。

　　这样，终于找到了高频衰减的原因。虽然在理论上只要满足fc= 即可，但在实际实验中对电容电阻的要求却非常高。选择了完全相等的电容后，高频衰减的问题就解决了。

　　但还应认识到：当频率很高时，电容会产生寄生效应。当频率高到一定程度时，电容的阻抗会下降，就会出现衰减变大的现象。在理想的状况下，频率再高电压增益也不会随频率升高而下降。之所以电压增益会随频率升高而下降，是因为所用的运放的带宽增益乘积有限。一个运放的带宽增益乘积决定的它的频率适用范围。

　　5、截止频率>20k：由fc= 得：固定C不变，fc增加，R就减小。现在要使fc减小，R应该增加。试过几组电阻后，发现当R=9.7时，fc=20k HZ

　　对上述问题、产生原因及解决方法列表如下：

　　表2

　　样看来，各个单独的问题都找到了原因，那么是不是只要严格按照每个问题对应的解决方案就可以做出很好的波形呢？当然是不一定的。这更需要耐心的调试。此时的波形已经比最初好了很多。但也有新的问题：　　由此可见，理论与实际的差异有多么大，实际结果与仿真的差异也很大。这

　　频率在20k以下时，信号按照预定的规律衰减；在20k-30k时信号的幅值并没有保持不变，而是有所上升；当频率超过30k后，幅值又会下降，对应的幅频特性曲线就会有一个“肩部”。

　　Butterworth特性响应时平稳上升的，没有增益的起伏。实际的曲线就不符合Butterworth特性响应了。我尝试了更换小的电容，对应的电阻值就变大，电阻调节范围更大。多次实验后终于找到了一个固定的电阻可以有效的改善幅频特性。但问题还是存在的，只不过幅值增加的幅度减小了。我又调节电位器，发现当第一级的增益减小时，幅频特性会有改观，但会引起总增益的减小。同时增大R5的值有利于稳定第一级输出。所以我改变电路参数，将第一级运放的负端与输出端短接，并且增大R5，这样第一级就完全没有增益，使第一级带负载能力更强；整个电路的增益都放到第二级去完成。这样幅频特性“肩部”的问题就很好的解决了）。此问题是在解决了上述所有问题的基础上发现的，故没有列入表3。

　　实际的元件清单：

　　至此，四阶有缘高通滤波器就完成了，输出波形从低频到高频均无丝毫失真，幅频相应曲线符合设计要求。

　　由此可见，我最终完成四阶有源高通滤波器的过程：连好第一级的电路——调节电位器、电容、电阻值——输出波形无失真——连第二级电路——输出无真——将两级级联起来，同时调整两个电位器至波形无失真——将电位器换成电阻提高电路的稳定性。

　　从调试过程可以看出，由Butterworth特性设计出来的有源高通滤波器具有平坦上升的特性，它结构简单，参数计算简单，但对于元器件的精度要求较高，调试工作的难度大大增加。在一些对于滤波精度要求不高的地方，Butterworth可以发挥很大的作用，要想获得更高精度的高通滤波器，简单的有源滤波器就不能满足设计要求了。

　　四、体会收获

　　通过这次课程设计，我熟悉掌握了示波器应用，对于有源高通滤波器的原理、设计电路有了深入的认识。检查电路的能力有了提高，分析问题解决问题的能力得到了锻炼。做任何事要符合事情的发展规律，由简到难，由浅入深，切不可想当然。比如说我看到电路图很简单，原理也很清楚，一开始就做四阶有源高通滤波器，结果发现很多问题。起先不知道这些问题由什么引起，处理方法只是简单的拆了重连，浪费了不少精力；后来才将问题分类，分为波形失真、高频衰减等问题，并将波形失真再细分为若干小问题，然后一一找到解决的方法。另外，做四阶滤波器时，应先检查两个二阶滤波器的输出是否符合要求，尤其是第一级的二阶滤波器。因为很多次实验中我都是第一级的二阶滤波器的输出就不理想，这样要想从最后的输出得到理想的波形就不太可能了。遇到问题冷静分析。比如高频衰减的问题，我解决时就经历了从四阶滤波器到二阶滤波器，再到一阶滤波器的分析过程，逐级排查，找到症结所在。再比如电位器的使用对实验成功有着巨大的贡献。电位器实现了增益的连续可调，减少了更换电阻的麻烦。学会用Protel软件进行简单的PCB板设计。

　　对于这次课程设计我总结如下：

　　具体到电路方面主要有

　　1、电容、电阻的值对电路有极其重要的影响。选择了精确的电容电阻可以解决实验中很多问题。

　　2、电位器的使用给实验带来了很大的方便，也拓宽了元器件的选择范围。

　　3、控制电路增益的电阻影响到电路的多个方面，比如消除波形的毛刺，调整增益，调整衰减。应妥善选择。

　　4、所有元件的管脚都会引入干扰，因此在布线时应尽量简单，减少导线的使用。

　　5、导线间也会有电容，会给实验结果造成干扰。尤其是本设计采用的电容并不大，线间电容带来的干扰作用就更大。布线时要特别注意。

　　6、对于电路，连接好一部分就检测一部分，不要等到全部连好了再检测，这样不仅加大了检测的工作量和难度，也会使电路调好的概率大大降低。

　　7、逐级找到问题的源头，先将各小部分调试到理想状态，再组合成整体进行调试。

　　8、良好的布线习惯不仅会让电路显得美观，查线时也会减小工作量，也可降低干扰对电路的影响。

　　9、不可想当然，不可掉以轻心

　　10、正视理论与实际的差别，尊重实际的结果。正视仿真，仿真只是对理论的一种检验，与实际也会有很大的差别

　　11、遇到很多问题不退缩，将问题分类，找出共性与个性，现着重解决大类问题，再对剩余的小问题逐个击破。

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