1、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书1目 录第 1 章 摘要4第 2 章 设计原理概述及设计要求52.1 陷波器的基本原理及作用52.2 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.63.1 理论分析63.2 参数的具体计算及选择.103.3 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124.1 multisim 50Hz 正弦频率信号源仿真124.2 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燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书2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，
2、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
3、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燕 山 大 学 课 程 设
4、计 说 明 书3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 和抑制带宽0fBW 之间的关系为： 00HLffQBW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。燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书4
5、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， 2A用作放大器，其输出端作为整个电路的输出。 1A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 、 两个电阻的阻值，来控制陷波1R2器的滤波特性，包括带阻滤波的频带宽度和 Q 值的高低。在图 2 中， , ， ，令 ，OCUZs21OOU21RK1nR对节点 A 列 KCL 方程，得：（1）2i OAAOUsCUsnKU同样，对节点 B 列 KCL 方程，得：（2）i OB
6、OnsC同样，对节点 C 列 KCL 方程，得：燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书5（3）AOBUsCUn由式（1） 、 （2） 、 （3）可得到电路的传递函数为：（4）22s4oisHnnsCK令 ， 得： sj01R2020141HjjK（5）由带阻滤波器的标准形式： 20201HjjQ（6）可得： ,其中14QK21R当 时，0Hj当 远大于 ，或者 远小于 时，增益接近 1。0令 ，可以求得：.7（7）20141HfK（8）20Lf（9）014HLfQK燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书6（10）041HLBWfKf因此，当 时，Q 值极高，BW 接近于零，所以我们可以
7、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 的计算公式为：0f（11）12RC因此 T 型结构中的电容和电阻用来确定中心频率的值，可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 工频信号，所以中心频率 ， ，令 R= 31.85，则05zfH134RCC=100nf。燕 山 大 学 课 程 设 计
8、 说 明 书7带宽 BW 越小越好，取 ， ，可得51Hfz49LfHz，0412BWKfQ即 ， ,取 501R 12.9R2 K102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 4050dB，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： KR5.83121nF0C54燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书8KR105第 4 章 基于运算放大器的工频信
9、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 =50Hz 时实测波形图f燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书9图 4.1.2 =49Hz 时实测波形图f图 4.1.2 =51Hz 时实测波形图f4.2 仿真数据记录及简要分析燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书10表 4.1.1 =49Hz、50Hz、51Hz 时数据记录f频率/Hz 输入幅值/V 输出幅值/V 衰减/dB 相位差49 9.999 8.523 -1.39 -0.19650 9.997 0.586 -24.64 -0.451 9.999 8.876 -1.034 0.204分析：
10、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49.50LfHz50Hz 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。50.Hfz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
11、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11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。
