共频陷波器设计
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 心得体会......................................15
参考文献.............................................16
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、仪器仪表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
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f 0和抑制带宽BW
之间的关系为:
Q =f 0f 0= BW f H -
f L
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。
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,A 2用作放大器,其输出端作为整个电路的输出。A 1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R 1、R 2两个电阻的阻值,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。
U O =U C , Z C =在图2中,R 2R 211U O ,, U O 2=令K =,n = R 1+R 2R 1+R 2R sC
对节点A 列KCL 方程,得:
(U i -U A )sC +(U O -U A )sC =2n (U A -KU O ) (1)
同样,对节点B 列KCL 方程,得:
(U i -U B )n +(U O -U B )n =2sC (U B -KU O ) (2)
同样,对节点C 列KCL 方程,得:
(U A -U O )sC =(U O -U B )n (3)
由式(1)、(2)、(3)可得到电路的传递函数为:
U o s 2C 2+n 2
H (s )== (4) U i s 2C 2+n 2+4nsC -4nsCK
2⎫1-⎛ 0⎪1⎝⎭令s =j ω,ω0=得:H (j ω)= 2RC ⎫⎛j ω⎫1-⎛ ω⎪+ ⎪4(1-K )0⎭0⎭⎝⎝
(5)
⎫1-⎛ ⎪0⎭⎝由带阻滤波器的标准形式:H (j ω)=⎛j ω⎫2 ⎪⎛⎫0⎭1- +⎝⎪⎝0⎭2
(6)
可得:Q =1R 2 ,其中K = 41-K R 1+R 2
当ω=ω0时,H (j ω)≈1
当ω远大于ω0,或者ω远小于ω0时,增益接近1。
令H (ω)=0.707,可以求得:
f H =f 02(1-K )⎤ (7)
⎥⎦
f L =f 02(1-K )⎤ (8) ⎥⎦
Q =f 01= (9) f H -f L 41-K BW =f H -f L =4(1-K )f 0 (10)
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f 0的计算公式为:
1 (11) 2πRC
因此T 型结构中的电容和电阻用来确定中心频率的值,可 f 0=
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f 0=50H z ,RC =,令R= 31.85Ω,则C=100nf。 314
带宽BW 越小越好,取f H ≥51Hz ,f L ≤49Hz ,可得BW =4(1-K )f 0≤2,Q ≥25
即K =R 2>0.99,R 2>99R 1, 取R 1=500Ω R 2=100K Ω R 1+R 2
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:
R 1=R 2=2R 3=31.85K Ω
C 1=C 2=C 3=100nF 2
R 4=500Ω
R 5=100K Ω
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
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
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f L =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f H =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
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。
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