共频陷波器设计

共频陷波器 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 目 录 第1章 摘要............................................4 第2章 设计原理概述及设计要求..........................5 2.1 陷波器的基本原理及作用............................5 2.2设计要求..........................................5 第3章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计.............6 3.1理论分析..........................................6 3.2 参数的具体计算及选择.............................10 3.3 电路组成.........................................11 第4章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试........12 4.1 multisim 50Hz正弦频率信号源仿真..................12 4.2 仿真数据记录及简要分析...........................14 第5章 结论..........................................15 第6章 #体会#......................................15 参考文献.............................................16 1 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第1章 摘要 本文介绍一种基于运算放大器的工频信号陷波器的设计与制作，用以 消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号。叙述内容包括工频信号陷波器的工作原理与设计思路，介绍了陷波器的参数计算及其选择，通过multisim仿真，记录和分析了该陷波器的工作特性与陷波性能，论证了该陷波器的可行性。 此次设计的陷波器优点是:陷波性能良好，带宽较小，品质因数Q可调，即滤波性能便于调整，电路线路简单，具有实际应用价值。缺点是:对于元器件的参数要求高，需要仔细调节。 第2章 设计原理概述及设计要求 2.1陷波器的基本原理及作用 陷波器也称带阻滤波器(窄带阻滤波器)，它能在保证其他频率的信号不损失的情况下，有效的抑制输入信号中某一频率信息。所以当电路中需要滤除存在的某一特定频率的干扰信号时，就经常用到陷波器。 在我国采用的是50hz频率的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时，常会存在50hz的工频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此50Hz陷波器在日常成产生活中被广泛应用，其技术已基本成熟。 工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。 2.2设计要求 1:完成题目的理论设计模型; 2:完成电路的multisim仿真; 3:完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果); 4:提交一份电路原理图 2 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第3章 基于运算放大器的工频信号陷波器设计 3.1理论分析 陷波器就是一种用作单一频率陷波的窄带阻滤波器，一般用带通滤波器和减法器电路组合起来实现。理想的带阻滤波器在其阻带内的增益为零。带阻滤波器的频率特性如图3.1.1所示。滤波器的中心频率f0和抑制带宽BW 之间的关系为: Q?f0f0? BWfH? fL 图3.1.1带阻滤波器频率特性 陷波器的实现方法有很多，本次设计采用的是电路比较简单，易于实现的双T型陷波器。双T型带阻滤波器的主体包括三部分内容:选频部分、放大器部分、反馈部分。此陷波器具有良好的选频特性和比较高的Q值。 3 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 基本电路原理图如图3.1.2所示 图3.1.2双T型陷波器电路 图中，A2用作放大器，其输出端作为整个电路的输出。A1接成电压跟随器的形式。因为双T网络只有在离中心频率较远时才能达到较好的衰减特性，因此滤波器的Q值不高。加入电压跟随器是为了提高Q值，此电 路中，Q值可以提高到50以上，调节R1、R2两个电阻的阻值，来控制陷波器的滤 波特性，包括带阻滤波的频带宽度和Q值的高低。 UO?UC, ZC?在图2中，R2R211UO，， UO2?令K?，n? R1?R2R1?R2RsC 对节点A列KCL方程，得: ?Ui?UA?sC??UO?UA?sC?2n?UA?KUO? (1) 同样，对节点B列KCL方程，得: ?Ui?UB?n??UO?UB?n?2sC?UB?KUO? (2) 同样，对节点C列KCL方程，得: ?UA?UO?sC??UO?UB?n (3) 4 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 由式(1)、(2)、(3)可得到电路的传递函数为: Uos2C2?n2 H?s??? (4) Uis2C2?n2?4nsC?4nsCK 2?1???0?1??令s?j?，?0?得:H?j??? 2RC??j??1????????4?1?K?0?0??? (5) ?1????0??由带阻滤波器的标准形式:H?j????j??2????0?1??????0?2 (6) 可得:Q?1R2 ,其中K? 41?KR1?R2 当???0时，H?j???1 当?远大于?0，或者?远小于?0时，增益接近1。 令H????0.707，可以求得: fH?f02?1?K?? (7) ?? fL?f02?1?K?? (8) ?? Q?f01? (9) fH?fL41?KBW?fH?fL?4?1?K?f0 (10) 5 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 因此，当 K?1时，Q值极高，BW接近于零，所以我们可以改变K的值来调节带宽，Q值越大，带阻曲线越窄，限波效果约好，但是实际应用中Q值不能无限大，如果Q值过大，会引起电路的振荡，不稳定。 双T陷波器的幅频特性如图3.1.3所示 图3.1.3 双T陷波器的幅频特性 其中心频率f0的计算公式为: 1 (11) 2?RC 因此T型结构中的电容和电阻用来确定中心频率的值，可 f0? 以通过改变这些电容和电阻来选择需要滤除的频率值。 3.2 参数的具体计算及选择 本次设计要求消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz 1工频信号，所以中心频率f0?50Hz，RC?，令R= 31.85Ω，则C=100nf。 314 带宽BW越小越好，取fH?51Hz，fL?49Hz，可得BW?4?1?K?f0?2，Q?25 6 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 即K?R2?0.99，R2?99R1,取R1?500? R2?100K? R1?R2 为了防止中心频率漂移，要使用镀银云母电容或碳酸盐电 容和金属膜电阻。常见衰减量为40—50dB，如果要得到60dB的 衰减量，必须要求电阻的误差小于0.1%，电容误差小于0.1%。 3.3 电路组成 图3.3.1、为双T陷波器Multisim仿真电路。 图1.3.2双T陷波器Multisim仿真电路 仿真图中的元器件参数: R1?R2?2R3?31.85K? C1?C2?C3?100nF2 R4?500? R5?100K? 7 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第4章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试 4.1 multisim 50Hz正弦频率信号源仿真 图4.1.1 f=50Hz时实测波形图 8 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 图4.1.2 f=49Hz时实测波形图 图4.1.2 f=51Hz时实测波形图 4.2 仿真数据记录及简要分析 9 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 表4.1.1 f=49Hz、50Hz、51Hz时数据记录 分析:当频率为49Hz的信号通过陷波器时，由于该频率小于第一窄带阻带的fL?49.505Hz，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为50Hz 的信号通过陷波器时，由于该频率等于第一窄带阻带的中心频率，所以该信号不能通过陷波器。当频率为51Hz的信号通过陷波器时，由于该频率大于第一窄带阻带的fH?50.500Hz，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。 注:本小节multisim仿真图中黄色(颜色较浅)是输入曲线，红色(颜色较深)是输出曲线 第5章 结论 本设计采用 双T陷型窄带阻陷波器用以消除叠加在频率为1k Hz上的测试信号中所包含的50Hz工频信号，通过陷波器时，由于工频信号的频 率刚好等于陷波器的窄带阻带的中心频率，所以工频信号通过陷波器而被滤掉。其它频率信号都处于陷波器的窄阻带的范围外，因此不会影响其他频率的信号，仅消除了测试信号中来自工频的干扰，但对工频信号附近的信号有削弱。 第6章 心得体会 10 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 通过该课程设计，全面系统的理解了工频信号陷波器一般原理和基本实现方法。把学过的电子各个方面的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己的设计表示出来，加深了对理论知识的理解。其次，这次课程设计让我掌握了multsim软件的简单使用，明白了软件仿真对设计的重要性。再次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不紊。在整个课程设计过程中我再次认识到坚持、耐心、细心等品质的重要，这对今后的学习和工作是有很大帮助的。锻炼了自己发现问题，解决问题的能力，以及如何把自己平时所学的东西应用到实际中。由于时间关系，此次课程设计中仍存在很多不足的地方。总之，这次课程设计让我获益良多。 11