課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系 學 號 學生姓名 專業（班級）設計題目 基于運算放大器的工頻信號陷波器設計設計技術參數設計消除疊加在頻率為 1kHz 以上的測試信號中所包含的 50Hz 工頻信號及其高次諧波（最高 5 次）信號。設計要求1：完成題目的理論設計模型；2：完成電路的 multisim 仿真；工作量1：完成一份設計說明書(其中包括理論設計的相關參數以及仿真結果)2：提交一份電路原理圖；工作計劃第一周周一到周二，查閱資料；第一周周三到周五，理論設計；第二周周一到周三，計算機仿真；第二周周四到周五，撰寫設計說明書并答辯；參考資料1：基于運算放大器和集成電路的電路設計2：模擬電子技術3：電路原理4：數字電子技術5：電子濾波器設計指導教師簽字 基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。2010 年 6 月 18 日 目 錄第 1 章 摘要 .4第 2 章 引言 .4第 3 章 基于運算放大器的工頻信號陷波器構建 .53.1理論分析 .53.2 參數計算 .83.3 電路組成 .9第 4 章 基于運算放大器的工頻信號陷波器性能測試 .114.1 multisim 各頻率信號源仿真 .114.2 pspice仿真 .19第 5 章 結論 .20心得體會 .20參考文獻 .204第 1 章 摘要本文介紹一種基于運算放大器的工頻信號陷波器的設計與制作，簡要地介紹了工頻信號陷波器的工作原理與設計方案，并詳細地介紹了該陷波器的參數設計和制作過程，通過 multisim 和 pispice 的仿真與測試，記錄和分析了該陷波器的工作特性與陷波性能，論證了該陷波器的可行性。該陷波器陷波性能良好，帶寬較小，電路線路簡單，易于實現，濾波性能方便調整，具有很大的實際應用價值。第 2 章 引言工頻陷波器是阻帶寬度較小的帶阻濾波器，它的作用是阻止或濾掉信號中有害分量，達到減少對電路的影響。工頻為一頻率單一且固定的某一信號，工頻通常和二次諧波及高次諧波同時出現。而有時工頻是不需要的，甚至會給其他信號造成很大的干擾。工頻陷波器就是為了很大程度地抑制或阻止該種所不需要工頻信號，同時對其他頻率的信號沒有較大的抑制作用。本文所采用基于運算放大器的工頻信號陷波器的一種設計方法是 DABP 帶阻濾波器的方法。高性能的工頻陷波器，它應能完全濾除工頻和其高次諧波而不衰減其他諧波。要獲得這樣高的性能，需要 Q 值很高的濾波器，而且調諧必須非常準確，而 DABP 帶阻濾波器的 Q 值達到 150，適合一般低頻窄帶濾波器設計。獲得高性能的工頻陷波器，采用 DABP 帶阻濾波器來實現陷波可大大提高其性能指標。其實現陷波思路有：先利用 DABP 帶阻濾波器設計每個所要求中心頻率的陷波器，然后把各個濾波器串聯形成類似于梳狀陷波器的帶阻濾波器。5工頻陷波器不僅在通信領域里被大量應用，還在自動控制、雷達、聲納、人造衛星、儀器儀表測量及計算機技術等領域有著廣泛的應用。第 3 章 基于運算放大器的工頻信號陷波器構建3.1 理論分析基于運算放大器的工頻信號陷波器設計，用以消除疊加在頻率為 1kHz 以上的測試信號中所包含的 50Hz 工頻信號及其高次諧波（最高 5 次） ，即設計中心頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz 、200Hz、250Hz 的窄帶陷波器。采用子電路的方法，首先分為設計中心頻率分別為 50Hz、100Hz、150Hz 、200Hz、250Hz 的 5 個窄帶陷波器。然后把 5個陷波器串聯，以達到設計要求。最后利用放大單元實現單位增益輸出。該窄帶帶阻濾波器分為六個獨立的單元：1. 50Hz 窄帶陷波器。2. 100Hz 窄帶陷波器。3. 150Hz 窄帶陷波器。4. 200Hz 窄帶陷波器。5. 250Hz 窄帶陷波器。6. 放大系數為 K 的放大單元。電路構建框圖和最終電路圖如圖 3.1.1 圖 3.1.2 所示5 0 H z 陷波器1 0 0 H z 陷波器2 0 0 H z 陷波器2 5 0 H z 陷波器1 5 0 H z 陷波器輸入信號輸出信號放大單元6圖 3.1.1 基于運算放大器的工頻信號陷波器構建框圖R 1 0R 1 2RRC 4R 1 1RRC 4R 1 3R 1 5RRC 5R 1 4RRC 5R 1R 3 RRC 1R 2RRC 1I NR 4R 6 RRC 2R 5RRC 2R 7R 9 RRC 3R 8RRC 3R 1 7R 1 6V O圖 3.1.2 基于運算放大器的工頻信號陷波器電路圖每個陷波器單元的設計可以獨立進行，并滿足指定中心頻率和帶寬要求，基于僅僅需要消除疊加在頻率為 1kHz 以上的測試信號中所包含的 50Hz 工頻信號及其高次諧波（最高 5 次） ，為了降低帶寬，則需要選用高品質因數 Q 的電路，本設計選用 DABP 帶阻電路（Q150） ，其電路如圖 3.1.2 所示R 1R 3 RRCR 2RRCI NO U T7圖 3.1.3 DABP 帶阻電路DABP 帶阻電路的轉移函數：(1.1.1) 2321RCSHS令 可得，Sj(1.1.2) 23211RCHj j將上式化成標準形式 ,則ONjj(1.1.3)201()NHjjQ令對應系數相等，通過觀察可得： 2ON令 ，可得2230()RC(1.1.4)0231CR123QR所以 DABP 帶阻電路的設計方程為(1.1.5)12Rf231所以五個陷波器單元串聯的轉移函數： 22512223 5422()()1() 1()()1NHjjjQjjjQ8其中 ， ， ，123CR2561CR3891CR， ， ， ，4125145123Q4256，7389QR1042R1345R為了實現最后輸出的單位增益，所以放大單元的放大倍數 ，即512K，因此基于運算放大器的工頻信號陷波器的最終轉移函數：161732NHjj2 222 23 51 4221()1()()()1()jjjjjQQQ3.2 參數計算1 當中心頻率為 50Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ，根據式 1Cuf10Rk(1.1.5) 計算可得 , 。所以取 ，147.65Rk238.R47。238R2 當中心頻率為 100Hz 時,Q 為最大值 150 時，取 ， 。根據式20.47Cuf10Rk(1.1.5)計算可得 , 。所以取 ，4507.9k5638R458。5638R3 當中心頻率為 150Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ,根據式 31Cuf0Rk9(1.1.5) 計算可得 , .所以取 ，7159.Rk891063R7159Rk。8906R4 當中心頻率為 200Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ,根據式4.Cuf0k(1.1.5)計算可得 , .所以 ，10253.97k1269318R159R。126R5 當中心頻率為 250Hz 時，Q 為最大值 150 時，取 ， ,根據式50.47Cuf0k(1.1.5)計算可得 , .所以 ，130.7k1431R1359R。145R6 因為放大單元的放大系數 ，所以 ，所以令 ，52K16172162k。17k3.3 電路組成圖 3.3.1、圖 3.3.2 分別為工頻信號有源陷波器 Pspice 仿真電路和 Multisim 真電路。10圖 3.3.1 工頻信號有源陷波器 Pspice 仿真電路圖 1.3.2 工頻信號有源陷波器 Multisim