電子測(cè)量課程設(shè)計(jì)報(bào)告

　　電子測(cè)量與虛擬儀器課程設(shè)計(jì)是電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)習(xí)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是將理論知識(shí)和實(shí)踐能力相統(tǒng)一的一個(gè)環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學(xué)生能力的一個(gè)環(huán)節(jié)。下面小編為你整理了電子測(cè)量課程設(shè)計(jì)報(bào)告，希望能幫到你！

　　題目：有源高通濾波器的設(shè)計(jì)

　　一、設(shè)計(jì)思路

　　有源濾波器是一種由RC和放大電路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器。它的特點(diǎn)是各級(jí)濾波器的輸出阻抗與截止頻率fc無關(guān)，而且這個(gè)輸出阻抗可以做得很低，前后級(jí)帶負(fù)載能力更強(qiáng)；前后級(jí)之間相互獨(dú)立地設(shè)計(jì)、確定各級(jí)濾波器的截止頻率以及品質(zhì)因數(shù)Q值的RC參數(shù)。

　　濾波器的頻率響應(yīng)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(shù)相同的其它濾波器相比，有最快的相應(yīng)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(qū)域允許的波動(dòng)下截止特性具有非常大的傾斜，且各級(jí)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(shè)計(jì)采用四階Butterworth特性濾波器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)潔，-80dB衰減。

　　二 參數(shù)選擇計(jì)算

　　fc=20 Khz, fc= 電阻成為放大器的負(fù)載，所以下限值約為1k,而且這些電阻會(huì)因放大器的偏置電流而產(chǎn)生直流失調(diào)電壓，由此上限應(yīng)為幾十k左右。電容C若選的太大，對(duì)應(yīng)的R過小，會(huì)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(duì)應(yīng)的R=8.2k。

　　根據(jù)Butterworth特性歸一化表

　　表1

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

　　R7=20k,R8=(2.235-1)R7=24.7k

　　三 元件清單

　　調(diào)試部分

　　一、接線調(diào)試

　　1、按照原理圖接線完畢后，測(cè)量各連接點(diǎn)是否開路。

　　2、檢查示波器是否正常。

　　3、將信號(hào)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(hào)源、示波器、電路中所有的接地端都與電源的地相連。此時(shí)示波器顯示經(jīng)過濾波的信號(hào)。

　　發(fā)現(xiàn)有一下幾點(diǎn)問題：

　　1、波形嚴(yán)重失真。經(jīng)過很多次檢查電路、更換R、C元件及增益電阻、測(cè)量后發(fā)現(xiàn)波形失真表現(xiàn)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(xiàn)削波

　　3、低頻信號(hào)波形無失真或失真很小，但高頻信號(hào)時(shí)失真嚴(yán)重，毛刺很多，根本不是正弦波

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

　　5、正半周期是三角波，負(fù)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(shí)信號(hào)開始衰減，并且衰減非常嚴(yán)重，到120k時(shí)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(fù)半周期

　　二、解決方法

　　針對(duì)這些問題我一一做了實(shí)驗(yàn)找到癥結(jié)所在。

　　1、出現(xiàn)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(shí)接觸問題是主要因素。當(dāng)整體波形較光滑，只在幾個(gè)點(diǎn)上有小毛刺時(shí)是電容的問題。這一點(diǎn)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(gè)電容不相等時(shí)，積分的斜率就會(huì)發(fā)生變化，由此產(chǎn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)增益的R7、R8、R12換成電位器104以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)調(diào)節(jié)。先將第一級(jí)輸出接到示波器上，邊調(diào)節(jié)電位器邊觀察波形變化。當(dāng)增益增大時(shí)，毛刺會(huì)慢慢變小，曲線變得平滑，最后總能找到一個(gè)固定的電阻值，使輸出無失真。再用同樣的方法調(diào)節(jié)第二級(jí)的電位器，使最后的輸出波形無失真。

　　此外，放大器也會(huì)引入干擾信號(hào)。這一點(diǎn)可以從RC無源濾波實(shí)驗(yàn)找到證明。我做了一個(gè)二階RC無源濾波實(shí)驗(yàn)，當(dāng)調(diào)整電容、增益的值使輸出信號(hào)波形良好無失真后，再插上放大器構(gòu)成有緣濾波器，結(jié)果輸出出現(xiàn)毛刺，并且LM324插入深度和干擾有直接的影響。反復(fù)調(diào)整LM324的位置，并測(cè)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(dāng)增加信號(hào)頻率時(shí)，毛刺看起來會(huì)消失，波形也算光滑，波峰波谷若有毛刺將會(huì)直接變?yōu)榧獠�，使波形近似于三角波。而且尖波的問題不是一個(gè)獨(dú)立的問題，毛刺會(huì)消失很大程度上在于問題3，也就是信號(hào)衰減的因素。當(dāng)信號(hào)衰減時(shí)，幅值減小很快，相應(yīng)的干擾信號(hào)下降的更快。如果在低頻段時(shí)波峰波谷處或是附近有毛刺，這時(shí)候就會(huì)轉(zhuǎn)變成尖波�？梢哉f尖波涉及了毛刺和高頻衰減兩個(gè)重要的問題。

　　3、削波問題在這不是幅值失真問題。因?yàn)長(zhǎng)M324N接正負(fù)12V的電源，而輸出信號(hào)的電壓始終控制在2V左右。這個(gè)問題困擾了很久，比毛刺和尖波出現(xiàn)的次數(shù)少。由此我斷定是接線時(shí)不仔細(xì)導(dǎo)致。事實(shí)證明80%的削波是這樣產(chǎn)生的，還有10%由接觸不良導(dǎo)致或接地端未接好引起。而且波形只有正半周期而無負(fù)半周期也可歸為此類問題。

　　4、信號(hào)在40k時(shí)開始衰減是最麻煩的問題，因?yàn)樽鲋�前根本沒有考慮過會(huì)有衰減，不知道這是什么因素引起的。十幾次實(shí)驗(yàn)時(shí)波形已經(jīng)調(diào)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(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成的。第二級(jí)的輸入完全就是第一級(jí)的輸出。所以四階時(shí)高頻部分有衰減很有可能是第一級(jí)、第二級(jí)中的某一級(jí)衰減，也有可能兩級(jí)都對(duì)高頻信號(hào)造成了衰減。

　　2、根據(jù)這個(gè)道理，我又做了多次二階高通濾波器的實(shí)驗(yàn)。將控制增益的電阻換成電位器，這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)有一部分實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，一部分出現(xiàn)這個(gè)問題時(shí)，更換電容可以解決；另一部分出現(xiàn)這個(gè)問題時(shí)，更換電阻可以解決。當(dāng)固定兩個(gè)電阻完全相等時(shí)，調(diào)節(jié)電容即可。

　　3、做一階濾波實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高頻衰減，而且調(diào)節(jié)電位器只會(huì)對(duì)信號(hào)的幅值產(chǎn)生影響（此時(shí)調(diào)節(jié)電位器還可以消除毛刺，見解決問題1）。

　　4、再做二階實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)電阻相等時(shí)，測(cè)量得到的兩個(gè)電容值若相等，則不會(huì)產(chǎn)生衰減；若不等，就會(huì)有衰減。

　　推測(cè)：高頻衰減的問題是由電容、電阻不相等造成的。

　　5、重復(fù)二階實(shí)驗(yàn)2次，確定推測(cè)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(shí)際實(shí)驗(yàn)中對(duì)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(yīng)認(rèn)識(shí)到：當(dāng)頻率很高時(shí)，電容會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)。當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，電容的阻抗會(huì)下降，就會(huì)出現(xiàn)衰減變大的現(xiàn)象。在理想的狀況下，頻率再高電壓增益也不會(huì)隨頻率升高而下降。之所以電壓增益會(huì)隨頻率升高而下降，是因?yàn)樗�用的運(yùn)放的帶寬增益乘積有限。一個(gè)運(yùn)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�，F(xiàn)在要使fc減小，R應(yīng)該增加。試過幾組電阻后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)R=9.7時(shí)，fc=20k HZ

　　對(duì)上述問題、產(chǎn)生原因及解決方法列表如下：

　　表2

　　樣看來，各個(gè)單獨(dú)的問題都找到了原因，那么是不是只要嚴(yán)格按照每個(gè)問題對(duì)應(yīng)的解決方案就可以做出很好的波形呢？當(dāng)然是不一定的。這更需要耐心的調(diào)試。此時(shí)的波形已經(jīng)比最初好了很多。但也有新的問題：　　由此可見，理論與實(shí)際的差異有多么大，實(shí)際結(jié)果與仿真的差異也很大。這

　　頻率在20k以下時(shí)，信號(hào)按照預(yù)定的規(guī)律衰減；在20k-30k時(shí)信號(hào)的幅值并沒有保持不變，而是有所上升；當(dāng)頻率超過30k后，幅值又會(huì)下降，對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線就會(huì)有一個(gè)“肩部”。

　　Butterworth特性響應(yīng)時(shí)平穩(wěn)上升的，沒有增益的起伏。實(shí)際的曲線就不符合Butterworth特性響應(yīng)了。我嘗試了更換小的電容，對(duì)應(yīng)的電阻值就變大，電阻調(diào)節(jié)范圍更大。多次實(shí)驗(yàn)后終于找到了一個(gè)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(diào)節(jié)電位器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谝患?jí)的增益減小時(shí)，幅頻特性會(huì)有改觀，但會(huì)引起總增益的減小。同時(shí)增大R5的值有利于穩(wěn)定第一級(jí)輸出。所以我改變電路參數(shù)，將第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)端與輸出端短接，并且增大R5，這樣第一級(jí)就完全沒有增益，使第一級(jí)帶負(fù)載能力更強(qiáng)；整個(gè)電路的增益都放到第二級(jí)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(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的，故沒有列入表3。

　　實(shí)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(yīng)曲線符合設(shè)計(jì)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(jí)的電路——調(diào)節(jié)電位器、電容、電阻值——輸出波形無失真——連第二級(jí)電路——輸出無真——將兩級(jí)級(jí)聯(lián)起來，同時(shí)調(diào)整兩個(gè)電位器至波形無失真——將電位器換成電阻提高電路的穩(wěn)定性。

　　從調(diào)試過程可以看出，由Butterworth特性設(shè)計(jì)出來的有源高通濾波器具有平坦上升的特性，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，但對(duì)于元器件的精度要求較高，調(diào)試工作的難度大大增加。在一些對(duì)于濾波精度要求不高的地方，Butterworth可以發(fā)揮很大的作用，要想獲得更高精度的高通濾波器，簡(jiǎn)單的有源濾波器就不能滿足設(shè)計(jì)要求了。

　　四、體會(huì)收獲

　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我熟悉掌握了示波器應(yīng)用，對(duì)于有源高通濾波器的原理、設(shè)計(jì)電路有了深入的認(rèn)識(shí)。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(fā)展規(guī)律，由簡(jiǎn)到難，由淺入深，切不可想當(dāng)然。比如說我看到電路圖很簡(jiǎn)單，原理也很清楚，一開始就做四階有源高通濾波器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jiǎn)單的拆了重連，浪費(fèi)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(xì)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(shí)，應(yīng)先檢查兩個(gè)二階濾波器的輸出是否符合要求，尤其是第一級(jí)的二階濾波器。因?yàn)楹芏啻螌?shí)驗(yàn)中我都是第一級(jí)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(shí)就經(jīng)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(jí)排查，找到癥結(jié)所在。再比如電位器的使用對(duì)實(shí)驗(yàn)成功有著巨大的貢獻(xiàn)。電位器實(shí)現(xiàn)了增益的連續(xù)可調(diào)，減少了更換電阻的麻煩。學(xué)會(huì)用Protel軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的PCB板設(shè)計(jì)。

　　對(duì)于這次課程設(shè)計(jì)我總結(jié)如下：

　　具體到電路方面主要有

　　1、電容、電阻的值對(duì)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(shí)驗(yàn)中很多問題。

　　2、電位器的使用給實(shí)驗(yàn)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(gè)方面，比如消除波形的毛刺，調(diào)整增益，調(diào)整衰減。應(yīng)妥善選擇。

　　4、所有元件的管腳都會(huì)引入干擾，因此在布線時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，減少導(dǎo)線的使用。

　　5、導(dǎo)線間也會(huì)有電容，會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。尤其是本設(shè)計(jì)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(shí)要特別注意。

　　6、對(duì)于電路，連接好一部分就檢測(cè)一部分，不要等到全部連好了再檢測(cè)，這樣不僅加大了檢測(cè)的工作量和難度，也會(huì)使電路調(diào)好的概率大大降低。

　　7、逐級(jí)找到問題的源頭，先將各小部分調(diào)試到理想狀態(tài)，再組合成整體進(jìn)行調(diào)試。

　　8、良好的布線習(xí)慣不僅會(huì)讓電路顯得美觀，查線時(shí)也會(huì)減小工作量，也可降低干擾對(duì)電路的影響。

　　9、不可想當(dāng)然，不可掉以輕心

　　10、正視理論與實(shí)際的差別，尊重實(shí)際的結(jié)果。正視仿真，仿真只是對(duì)理論的一種檢驗(yàn)，與實(shí)際也會(huì)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(gè)性，現(xiàn)著重解決大類問題，再對(duì)剩余的小問題逐個(gè)擊破。

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