课题一b 有源滤波器设计课程设计指导书2013.doc

课题1b 有源滤波器设计与分析 本课题的目的 本课题研究有源低通、高通、带通、全通滤波器的设计，并通过仿真和实际电路测试，分析各种滤波器的频率响应和时域响应。通过本课题的设计，主要达到以下几个目的： 掌握有源滤波器的基本原理及设计方法。 深入理解信号频谱和信号滤波的概念，理解滤波器幅频响应和相频响应对信号的影响，了解不同类型滤波器时域响应的特点。 掌握模拟滤波器频域响应的测试方法。 掌握利用Multisim软件进行模拟滤波器设计及仿真的方法。 了解有源滤波器硬件电路的设计、制作、调试过程及步骤。 掌握新一代信号与系统硬件实验平台及虚拟示波器、虚拟信号发生器的操作使用方法。 培养运用所学知识分析和解决实际问题的能力。 二、课题任务 本课题的任务包括有源滤波器电路设计、电路（系统）仿真分析、电路板焊接、电路调试与测试、仿真和测试结果分析等内容，主要工作有： 1. 采用运算放大器，分别设计参数可调的有源低通、带通、高通、全通滤波器，并用Multisim软件进行仿真验证，并测试其时域和频率响应。 2. 列出所设计各滤波器的系统函数，用Matlab软件分析其频率响应、时域响应，并与Multisim电路仿真的结果进行比较分析。 3. 在Multisim仿真软件中，给各滤波器分别输入适当的信号，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响。 4. 根据所设计的滤波器元件参数，在PCB板上完成各有源滤波器电路的焊接。 5. 利用新开发的信号与系统实验平台，对焊接好的电路进行调试，确保其工作正常。 6. 采用适当的方法，调整相关元件参数，测试各滤波器的时域响应和频率响应，与相关仿真分析结果进行比较，并分析误差产生的原因。 7. 将适当信号输入滤波器，测试分析各种滤波器频率响应对信号的影响，并与仿真结果进行比较，分析其差异产生的原因。 三、主要设备和软件 1．信号与系统实验系统（含DSO-3064虚拟示波器和DDS-3X25虚拟信号发生器）一套 2. PC机一台 3．Multisim软件一套，11.0以上版本 4．Matlab软件一套，7.0以上版本 5．连续系统频域响应测试与分析电路PCB板及相关元器件，一套 6. 恒温焊台及其它工具一套 7. 数字万用表一台 四、设计内容、步骤和要求 1. 有源低通滤波器的设计与仿真分析 （1）利用运算放大器，设计二阶压控电压源型（VCVS）有源低通滤波器，滤波器原型电路参见参考文献[1]中的图3.21或附录图7-4。滤波器主要技术指标要求：截止频率在100~20kHz范围内连续可调（用两个可调电阻实现）；滤波器通带增益设计为约等于2；其余指标自定。 （2）按照上述技术指标要求，完成滤波器元件参数的设计计算，所用到的电容均选用0.01uF，其余参数可参照另行提供的参考原理图（参考文献[2]）和元件清单（表4-1）。 （3）采用Multisim软件（软件使用方法参见附录及参考文献[3]）对所设计的滤波器进行仿真验证。调节不同的滤波器截止频率（自行选择3个左右截止频率点，并记录下对应的可调电阻值。应先根据预期的截止频率，大致估算所需的电阻值，避免盲目选择，下同），分别用Multisim软件中的Bode图分析仪观测并记录所设计滤波器的幅频与相频响应。 （4）在Multisim软件中，给所设计滤波器加上适当的激励信号，将滤波器调至与上一步骤相对应的3个不同截止频率，分别用示波器观测其时域响应（冲激响应或阶跃响应），对比分析并总结滤波器截止频率与时域响应之间的联系。 （5）根据所设计滤波器的元件参数（其中可调电阻取第（2）步所记录的任意一组阻值即可），列出滤波器的系统函数（公式参见参考文献[1]），并用Matlab软件分析其频率响应与时域响应，并与对应的Multisim仿真分析结果进行比较，分析其误差情况及误差产生的原因。 2. 有源高通滤波器的设计与仿真分析 （1）利用运算放大器，设计二阶压控电压源型（VCVS）有源高通滤波器，滤波器原型电路请自行查阅相关文献。滤波器主要技术指标要求：截止频率在100~20kHz范围内连续可调（用两个可调电阻实现）；滤波器通带增益设计为约等于2；其余指标自定。 （2）按照上述技术指标要求，完成滤波器元件参数的设计计算，所用到的电容均选用0.01uF，其余参数可参照另行提供的参考原理图（参考文献[2]）和元件清单（表4-1）。 （3）采用Multisim软件对所设计的滤波器进行仿真验证。调节不同的滤波器截止频率（自行选择3个左右截止频率点，并记录下对应的可调电阻值），分别用Multisim软件中的Bode图分析仪观测并记录所设计滤波器的幅频与相频响应。 （4）在Multisim软件中，给所设计滤波器加上适当的激励信号，将滤波器调至与上一步骤相对应的3个不同截止频率，分别用示波器观测其时域