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有源模擬帶通濾波器課程設計
一 項目目的
電子電路仿真項目是通信工程專業(yè)教學體系中一個實踐性很強的環(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踐有機結(jié)合起來，加強學生實
驗基本技能的訓練，培養(yǎng)學生實際動手能力、理論聯(lián)系實踐的能力。通過本課程設計讓學生
掌握電子電路系統(tǒng)的設計、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。
濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號，利用這個特性可以將通過濾波
器的一個方波群或復合噪波，而得到一個特定頻率的正弦波。
濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件。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)點是：電路比較簡單，不需
要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用
電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時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（如集成運算放大器）組
成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不
明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，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）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如
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集成運算放大器）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備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部
分組成。指令電流運算電路實時監(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）
信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧
波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電
力諧波。
2)應用
通信行業(yè)為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機房的運行需要，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，延長通信設備及電力設備的使用壽命，并且使配
電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設計規(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等被動元件組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電
流進行分流，其行為模式為提供被動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)成的電能變換設備，檢測負載諧波電流并主動提供對應的補償電流，補償后的源
電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動式電流源輸出。
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)用電過程中的實際問題，且可以達到國家電力部門的標準；有源濾波器可動態(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)阻抗影響嚴重，存在諧波放大和共振的危險；而有源濾波不受影響。
2.4.4頻率變化的影響
無源濾波器諧振點偏移，效果降低；有源濾波器不受影響。
2.4.5負載增加的影響
無源濾波器可能因為超載而損壞；有源濾波器無損壞之危險，諧波量大于補償能力時，
僅發(fā)生補償效果不足而已。
2.4.6負載變化對諧波補償效果的影響
無源濾波器補償效果隨著負載的變化而變化；有源濾波器不受負載變化影響。
2
2.4.7設備造價
無源濾波器較低；有源濾波器太高。
2.4.8應用場合對比分析 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，不能或很少提供無功功率補償，因為要占容量；而無源濾波則同
時提供無功功率補償。
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
3000V。
4.無源濾波由于其價格優(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 運放741
uA741M，uA741I，uA741C（單運放）是高增益運算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應用.
這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。
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?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5V正負12V正負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]
一個理想的濾波器應該有一個完全平坦的通帶，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，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄
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2 二階有源模擬帶通濾波器的設計
2 .1基本參數(shù)的設定
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，R3、C1組成高
通網(wǎng)絡，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可導出帶通濾波器的傳遞函數(shù)為
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式(5)為二階帶通濾波器傳遞函數(shù)典型表達式，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特性為
可畫出其幅頻響應曲線，如圖2所示。圖中，當ω=ω0時，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。
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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。理想的幅頻特性應該
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。
然而實際設計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：當有源帶通濾波器的同相放大倍數(shù)變化時，既影響通帶增
益A0，又影響Q值(進而影響通頻帶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 帶通濾波的設計
設計要求：要求設計一個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，選用相應的元件實現(xiàn)帶通濾波器電路，
并對進行仿真和制作，并能利用相關(guān)儀器測量其技術(shù)指標，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：
設計方案
為了能了解二階帶通濾波器在實際電路中應用的效果，設計了如圖1的電路進行實驗驗
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)，設計出了中心頻率在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)
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.
因為k=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?
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圖5 設計電路
仿真波形
圖6
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幅頻特性
圖7
調(diào)試結(jié)果
處于中心頻率時濾波器顯示圖形如下：
圖8
截止頻率時示波器顯示波形：
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高低頻時處于截止狀態(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
在這次實踐中我們遇到了一些問題，在最后階段的調(diào)試時，我們才發(fā)現(xiàn)電容用錯了，最
后我們不得不重新焊接電路，由于實踐問題，我們也只能放棄了一個方案，只焊接了一個電路。這還是說明我們實踐的少，希望以后能多實踐來彌補我們的不足，提高我們的能力。
五 項目總結(jié)
拿到這個項目之后，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。通過這次課程設計，加強了我們的動手、思考和解決問題的能力。在整個課程設計過程中，我們用了兩套方案來實現(xiàn)題目的要求。通過實際的操作，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)來說實踐能力又十分重要，所以這次機會對我們來說非常的重要。實踐是對課本上知識的鞏固，通過實踐我們加深了對知識的理解。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，需要學習的地方還很多，有很多知識需要自己去拓展，同時也需要更多的實踐來完善我們對知識的理解。
從理論到實踐，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，但是可以學到很多很多的的東西，這些東西都是課本所不能學到的，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際
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動手能力和獨立思考的能力。
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