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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
濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。其主要作用是讓有用信號盡可能無衰
減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。
濾波器一般有兩個(gè)端口，一個(gè)輸入信號、一個(gè)輸出信號，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中提取原始信號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
按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。
2.2按所通過信號的頻段
按所通過信號的頻段分為低通、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通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪
聲。 、
帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。
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，多級相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(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，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送
入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）
信號形式向補(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，檢測負(fù)載諧波電流并主動(dòng)提供對應(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)用場合對比分析 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�；而無源濾波則同
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、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
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。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的頻譜寬度，保證信號的不失真?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，
并對進(jìn)行仿真和制作，并能利用相關(guān)儀器測量其技術(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
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?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
10
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，使我們對濾波器有了更深入的了解。對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)對我們來說非常的重要。實(shí)踐是對課本上知識(shí)的鞏固，通過實(shí)踐我們加深了對知識(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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