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1、课 程 设 计 说 明 书题目：基于运算放大器的工频信号陷波器设计 学院（系）：年级专业：学 号：学生姓名： 指导教师： 教师职称：课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）设计题目基于运算放大器的工频信号陷波器设计设计技术参数设计消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号及其高次谐波（最高5次）信号。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；工作量1：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)2：提交一份电路原理图；工作计划第一周周一到周二，查阅资料；第一周周三
2、到周五，理论设计；第二周周一到周三，计算机仿真；第二周周四到周五，撰写设计说明书并答辩；参考资料1：基于运算放大器和集成电路的电路设计2：模拟电子技术3：电路原理 4：数字电子技术 5：电子滤波器设计指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2010年 6 月 18 日 目 录第1章 摘要4第2章 引言4第3章 基于运算放大器的工频信号陷波器构建53.1理论分析53.2 参数计算83.3 电路组成9第4章 基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试114.1 multisim 各频率信号源仿真114.2 pspice仿真19第5章 结论20心得体
3、会20参考文献20 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，简要地介绍了工频信号陷波器的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该陷波器的参数设计和制作过程，通过multisim和pispice的仿真与测试，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。 该陷波器陷波性能良好，带宽较小，电路线路简单，易于实现，滤波性能方便调整，具有很大的实际应用价值。第2章 引言 工频陷波器是阻带宽度较小的带阻滤波器，它的作用是阻止或滤掉信号中有害分量，达到减少对电路的影响。工频为一频率单一且固定的某一信号，工频通常和二次谐波及高次谐波同时出现。而有时工频是不需要的，
4、甚至会给其他信号造成很大的干扰。工频陷波器就是为了很大程度地抑制或阻止该种所不需要工频信号，同时对其他频率的信号没有较大的抑制作用。本文所采用基于运算放大器的工频信号陷波器的一种设计方法是DABP带阻滤波器的方法。 高性能的工频陷波器，它应能完全滤除工频和其高次谐波而不衰减其他谐波。要获得这样高的性能，需要Q值很高的滤波器，而且调谐必须非常准确，而DABP带阻滤波器的Q值达到150，适合一般低频窄带滤波器设计。 获得高性能的工频陷波器，采用DABP带阻滤波器来实现陷波可大大提高其性能指标。其实现陷波思路有：先利用DABP带阻滤波器设计每个所要求中心频率的陷波器，然后把各个滤波器串联形成类似于梳
5、状陷波器的带阻滤波器。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、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。第3章 基于运算放大器的工频信号陷波器构建3.1理论分析基于运算放大器的工频信号陷波器设计，用以消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号及其高次谐波（最高5次），即设计中心频率分别为50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的窄带陷波器。采用子电路的方法，首先分为设计中心频率分别为50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的5个窄带陷波器。然后把5个陷波器串联，以达到设计要求。最后利用放大单元实现单位增
6、益输出。该窄带带阻滤波器分为六个独立的单元：1. 50Hz窄带陷波器。2. 100Hz窄带陷波器。3. 150Hz窄带陷波器。4. 200Hz窄带陷波器。5. 250Hz窄带陷波器。6. 放大系数为K的放大单元。电路构建框图和最终电路图如图3.1.1图3.1.2所示 图3.1.1基于运算放大器的工频信号陷波器构建框图 图3.1.2基于运算放大器的工频信号陷波器电路图每个陷波器单元的设计可以独立进行，并满足指定中心频率和带宽要求，基于仅仅需要消除叠加在频率为1kHz以上的测试信号中所包含的50Hz工频信号及其高次谐波（最高5次），为了降低带宽，则需要选用高品质因数Q的电路，本设计选用DABP带阻
7、电路（Q150），其电路如图3.1.2所示 图3.1.3 DABP带阻电路DABP带阻电路的转移函数： (1.1.1) 令可得， (1.1.2) 将上式化成标准形式,则 (1.1.3)令对应系数相等，通过观察可得：令，可得 (1.1.4)所以DABP带阻电路的设计方程为 (1.1.5)所以五个陷波器单元串联的转移函数： 其中 ， ， ， ， ， ， ， ，为了实现最后输出的单位增益，所以放大单元的放大倍数，即，因此基于运算放大器的工频信号陷波器的最终转移函数：3.2 参数计算1 当中心频率为50Hz时，Q为最大值150时，取，根据式 (1.1.5) 计算可得,。所以取，。2 当中心频率为100
8、Hz时,Q为最大值150时，取，。根据式(1.1.5)计算可得, 。所以取，。3 当中心频率为150Hz时，Q为最大值150时，取，,根据式 (1.1.5) 计算可得, .所以取，。4 当中心频率为200Hz时，Q为最大值150时，取，,根据式(1.1.5)计算可得, .所以，。5 当中心频率为250Hz时，Q为最大值150时，取，,根据式(1.1.5)计算可得, .所以，。6 因为放大单元的放大系数，所以，所以令，。3.3 电路组成图3.3.1、图3.3.2 分别为工频信号有源陷波器Pspice仿真电路和Multisim真电路。图3.3.1 工频信号有源陷波器Pspice仿真电路图1.3.2
9、 工频信号有源陷波器Multisim仿真电路电路参数： 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 各频率信号源仿真图4.1.1 =49Hz时仿真波形图图4.1.2 =50Hz时实测波形图图4.1.3 =51Hz时实测波形图表4.1.1 =49Hz、50Hz、51Hz时数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差49109.867-0.1161.04950100.381-28.3820.55651109.859-0.1230.956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，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为50
10、Hz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，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。注：本小节multisim仿真图中红色曲线是输入信号，蓝色曲线是输出信号图4.1.4 =99Hz时仿真波形图图4.1.5 =100Hz时实测波形图图4.1.6 =101Hz时实测波形图表4.1.2 =99Hz、100Hz、101Hz时数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差99109.456-0.4861.106100100.384-28.3130.549101109.489-0.456
11、0.895分析：当频率为99Hz的信号通过陷波器时，由于该频率小于第二窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为100Hz的信号通过陷波器时，由于该频率等于第二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101Hz的信号通过陷波器时，由于该频率大于第二窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。图4.1.7 =149Hz时仿真波形图图4.1.8 =150Hz时实测波形图图4.1.9 =151Hz时实测波形图表4.1.3 =149Hz、150Hz、151Hz时数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差149108.862-1.0491.163150
12、100.882-21.0910.534151109.089-0.8300.92分析：当频率为149Hz的信号通过陷波器时，由于该频率小于第三窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为150Hz的信号通过陷波器时，由于该频率等于第三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151Hz的信号通过陷波器，由于该频率大于第三窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。 图4.1.10 =199Hz时仿真波形图图4.1.11 =200Hz时实测波形图图4.1.12 =201Hz时实测波形图表4.1.4 =199Hz、200Hz、201Hz时数据记录频率/Hz输入幅值/V
13、输出幅值/V衰减/dB相位差199108.123-1.8061.191200101.039-19.6680.53201107.572-2.160.982分析：当频率为199Hz的信号通过陷波器，由于该频率小于第四窄带阻带的，所以衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为200Hz的信号通过陷波器时，由于该频率等于第四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201Hz的信号通过陷波器时，由于该频率大于第四窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。 图4.1.13 =249Hz时仿真波形图图4.1.14 =250Hz时实测波形图图4.1.15 =251Hz时实测波形图表4.1
14、.5 =249Hz、250Hz、251Hz时数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差249107.572-2.4161.217250100.499-26.0380.512251107.804-2.1540.780分析：当频率为249Hz的信号通过陷波器时，由于该频率小于第五窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。当频率为250Hz的信号通过陷波器时，由于该频率等于第五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251Hz的信号通过陷波器时，由于该频率大于第五窄带阻带的，因此衰减较少，所以该信号能通过陷波器。 4.2 pspice仿真图4.2.1基于运算放
15、大器的工频信号陷波器幅频特性曲线（输出电压随频率变化而变化）说明：图中曲线基于运算放大器的工频信号陷波器幅频特性曲线，其中A点、C点、D点、F点、G点、I点、J点、L点、M点、O点分别是输出幅值是输入幅值0.707的点。B点、E点、H点、K点、N点分别为各个中心频率的点，即输出最小的点。图4.2.1基于运算放大器的工频信号陷波器波特图说明：图中曲线基于运算放大器的工频信号陷波器波特图，其中A点、C点、D点、F点、G点、I点、J点、L点、M点、O点是衰减3的DB的点。B点、E点、H点、K点、N点分别为衰减最大的点。第5章 结论本设计采用5个DABP窄带陷波器串联用以消除叠加在频率为1k Hz上的
16、测信号中所包含的50Hz工频信号及其高次谐波（最高5次），当频率50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的信号通过陷波器时，由于这些信号刚好等于陷波器的5个窄带阻带的中心频率，所以工频信号及其高次谐波（最高5次）不能通过陷波器而被滤掉。而其频率信号都处于陷波器的这5个窄阻带的范围外，这些信号都能通过陷波器。消除了测试信号中来自工频的干扰。心得体会 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。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。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
17、设计让我基本掌握了multsim，pspice等软件的使用，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。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。而在课设中暴露的问题，我一定要好好改正，争取以后不再出现类似的错误，真正的提高自己的技术。参考文献 1宁彦卿 姚金科译. 电子滤波器设计. 科学出版社，2008年 2邱关源. 电路原理. 高等教育出版社，2008年3 康华光. 模拟电子技术. 高等教育出版社，2008年4.阎石. 数字电子技术基础. 2009年