射频电路实训报告论文下载滤波器设计(低通带通高通)振荡器(低频中频高频)

ID:140725 · 发表于 2017-3-12 03:35

下面是设计论文部分内容预览，由于论坛格式限制可能有部分公式无法展现.
需要的朋友可以在51黑电子论坛下载本设计的完整版本：
http://www.51hei.com/bbs/dpj-78709-1.html

射频电路设计实训报告

设计题目压控振荡器/滤波器设计

院系电子信息工程学院通信工程系

年级专业 2013级通信工程

学生学号/姓名 P21314015/张侠玲

指导教师许先璠/常静

安徽大学电子信息工程学院

2017.3

摘要

本课设本着在小学期期间更好地锻炼学生的动手能力，要求分别设计出10Khz 低频振荡器，100Khz 中频振荡器，1Mhz 高频振荡器及相对应的低通带通高通滤波器。在振荡器部分，根据主要工作在几十千赫以下的低频段的 RC 正弦波振荡器结构简单但选频特性不理想，工作在较高频率的 LC振荡器特性需并联电容提高频率稳定度等特点，低频部分可使用通用运放+文氏电桥实现，中频部分可使用高带宽运放+文氏电桥实现，高频部分采用 LC 振荡器实现。

在滤波器部分，考虑到实验室器材和目前电子市场上材料以及制作调试的难易程度，宜使用无源 LC 滤波器。在通带内巴特沃斯滤波器式无衰减的，而切比雪夫滤波器则最大有 APdB 的衰减。在阻带内，切比雪夫滤波器较同阶的巴特沃斯滤波器有较大的衰减量。因而低通和高通滤波器采用巴特沃斯 LC 滤波器，带通滤波器采用切比雪夫 LC 滤波器。

关键词：

文氏电桥振荡器；LC 振荡器；巴特沃斯滤波器；切比雪夫滤波器；

1方案设计与论证

1.1振荡器部分方案设计

方案一：采用 RC 移相电路。使用 RC 电路作为移相网络的振荡器统称为 RC 正弦波振荡器，主要工作在几十千赫以下的低频段。采用的移相电路有 RC 倒前移相电路，RC 滞后移相电路。由于 RC 移相电路的选频特性不理想，因而它的输出波形失真大，频稳度低，只能用在性能不高的设备中。串并联选频电路的输出端接在运算放大器的同相端，利用两个反向并联二极管（温度稳定性好），保证输出波形正负半周对称。通过改变 RC 的参数来改变输出频率。

方案二：采用 LC 电容三点式振荡电路。电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射机，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容与电路为并联，适当增大回路电容量，就可以减少不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度。故适用于较高的工作频率。

综上，低频部分可使用通用运放+文氏电桥实现，中频部分可使用高带宽运放+文氏电桥实现，高频部分采用 LC 振荡器实现。

1.2滤波器部分方案设计

滤波器的用途是抑制无用信号，而使有用信号顺利通过。滤波器种类繁多，按构成的元器件，可分为无源滤波器和有源滤波器（含运放）两种；按处理的对象，可分为模拟滤波器和数字滤波器；按滤波器原型的频率响应，可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆型滤波器等。根据本课设所要求的通带阻带范围不同，分别需要设计低通、高通、带通滤波器。

方案一：采用巴特沃斯滤波器。巴特沃斯滤波器的阶数 n 取决于阻带的截止频率ωS（ωS>ωP）所对应的最小衰减 AS 和通带的截止频率ωP 对应的衰减 AP。 n 越大，通带内幅度减小得越慢，也就是通带内特性越平坦。

方案二：采用切比雪夫滤波器。切比雪夫滤波器的阶数由规定在某一频率ω S（ωS>ωP）上，衰减量不得小于 AS 来确定。给定通带波纹值后，就可以得到即通带内幅度波动的程度。

理论上，在通带内巴特沃斯滤波器式无衰减的，而切比雪夫滤波器则最大有

APdB 的衰减。在阻带内，切比雪夫滤波器较同阶的巴特沃斯滤波器有较大的衰减量。实际上，除要求通带平坦外，大多允许通带有少量的衰减而采用切比雪夫滤波器，以获得较大的衰减量或减少电路的阶数。

综上，考虑到实验室器材和目前电子市场上材料以及制作调试的难易程度，宜使用无源 LC 滤波器。在设计中考虑到巴特沃斯滤波器通频带内外都有平稳的幅频特性，因而低通和高通滤波器采用巴特沃斯 LC 滤波器，带通滤波器采用切比雪夫 LC 滤波器。

2电路设计

2.1振荡器部分电路设计

2.1.1低频振荡器电路

如下图 1 所示为 RC 桥式正弦波振荡器。其中 RC 串、并联电路构成正反馈

支路，同时兼作选频网络，RW 及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器 RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管 D1、D2 正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2 采用硅管

（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R1 的接入是为了削弱二极管非线性的影响，用于矫正二极管死区造成的陡峭交越失真。振荡器初级输出端串接 470Ω 至负电源，以矫正 LM324 自身特性造成的平坦交越失真和“毛刺现象”。输出端用 LM324N 多余的运放构成电压跟随器，可以提供带负载能力并降低负载效应。

电路设计图：

图 2.1.1 10khz 正弦信号振荡器

2.1.2100khz正弦信号振荡器

1. 两个 1N4148 二极管用于稳幅，利用二极管的非线性伏安特性。

2. 振荡器初级输出端串接 470Ω 至负电源，以矫正 LM324 自身特性造成的平坦交越失真和

“毛刺现象”。

3. 20K 电位器用于矫正二极管死区造成的陡峭交越失真。

4. 50K 电位器用于调整反馈强度，矫正削波失真。

5. 输出端用 324 多余的运放构成电压跟随器，可以提供带负载能力并降低负载效应。

电路设计图：

图 2.1.2 100khz 正弦信号振荡器

2.1.3高频振荡器电路

在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。具体电路如下图3所示基极偏置采用电阻分压偏置，通过调整Rb1电位器达到最佳状态。射极采用Re1和Re2 串联作为反馈电阻。其中Re1为直流反馈电阻，Re2对交流和直流均有反馈作用。目的是改善振荡器的稳定性。LC 当作高频扼流圈使用。R 为阻尼电阻，目的是

降低电感Q 值，改善输出波形。

图 2.1.1 1MHZ 正弦信号振荡器

2.2滤波器部分电路设计

2.2.1低通滤波器电路设计

（1）要求：

电路阻抗：Zc=50Ω，满足f<=10KHz 的信号可通过；通带最大衰减量：3dB；

阻带最小衰减量：20dB；

（2）确定电路参数：电路阻抗：Zc=50Ω；通带截止频率：fP＝15 KHz；阻带截止频率：fS＝25KHz；通带最大衰减量：AP=3dB；阻带最小衰减量：AS=20dB；

（3）计算滤波器阶数：

表 2 低通滤波器元件值列表

元件标号	C1（nF）	L2（μH）	C3（nF）	L4（μH）	C5（nF）
元件值	131.1	858.4	424.4	858.4	131.1

此处 5 个值是由理论计算得来，在计算时，保留了一些余量。因为理论计算出来的电感与电容值与实际使用的不一定相符合，因而在选择电感以及电容时，可能会由多个电感以及电容并串得来，与理论值有些许误差，但所得的结果在允许范围内。但亦可采用可调电容或电感，调整电路接入值，使得电路能够更精确的达到所设计的要求。此处，为设计方便，直接利用实验室现有的原材料来设计此低通滤波器。

电路设计图如下：

图 2.2.1 低通滤波器电路设计

2.2.2带通滤波器设计

（1）要求：

电路阻抗：Zc=50Ω，f0=100KHz 的信号可通过；通带最大衰减量：1dB；阻带最小衰减量：20dB。

（2）确定电路参数：电路阻抗：Zc=50Ω 通带上限截止频率：fP2=120 KHz 通带下限截止频率：fP1=80KHz 阻带上限截止频率：fS2=200 KHz 阻带下限截止频率：fS1=40 KHz 通带最大衰减量：AP=1dB 阻带最小衰减量：AS=20dB

（3）计算滤波器阶数：

g1	g2	g3
2.216	1.0883	2.216

（5）计算实际电感和电容值：

此滤波器选择并 C 串 L 型，得到下表 4 低通元件实际电容电感列表。

表 4 低通元件列表

元件标号	Cp1（pF）	Lp2（μH）	Cp3（pF）
元件值	179.6	398.1	79.6

（6）计算带通原型元件转换值：

由低通原型实际元件值根据转换对照表 5，计算出带通原型实际元件值，并用带通原型转换电路取代低通原型电路元件，以完成带通电路结构。其转换公式如下：

表 5 带通转换对照表

根据表 5，计算出带通原型实际元件值，电路图如图 5 所示。

表6 带通滤波器元件值列表

元件标号	C1（nF）	L1（μH）	C2（nF）	L2（μH）	C3（nF）	L3（μH）
元件值	79.6	33.5	6.6	398.6	79.6	33.5

电路设计图如下：

图 2.2.2 带通滤波器电路设计

2.2.2带通滤波器设计

（1）要求：

电路阻抗：Zc=50Ω，f0=100KHz 的信号可通过；通带最大衰减量：1dB；阻带最小衰减量：20dB。

（2）确定电路参数：电路阻抗：Zc=50Ω 通带上限截止频率：fP2=120 KHz 通带下限截止频率：fP1=80KHz 阻带上限截止频率：fS2=200 KHz 阻带下限截止频率：fS1=40 KHz 通带最大衰减量：AP=1dB 阻带最小衰减量：AS=20dB

（3）计算滤波器阶数：

（4）计算低通原型元件值（gK）：

表3 元件值列表

g1	g2	g3
2.216	1.0883	2.216

（5）计算实际电感和电容值：

此滤波器选择并 C 串 L 型，得到下表 4 低通元件实际电容电感列表。

表 4 低通元件列表

元件标号	Cp1（pF）	Lp2（μH）	Cp3（pF）
元件值	179.6	398.1	79.6

（6）计算带通原型元件转换值：

由低通原型实际元件值根据转换对照表 5，计算出带通原型实际元件值，并用带通原型转换电路取代低通原型电路元件，以完成带通电路结构。其转换公式如下：

表 5 带通转换对照表

根据表 5，计算出带通原型实际元件值，电路图如图 5 所示。

表6 带通滤波器元件值列表

元件标号	C1（nF）	L1（μH）	C2（nF）	L2（μH）	C3（nF）	L3（μH）
元件值	79.6	33.5	6.6	398.6	79.6	33.5

电路设计图如下：

3电路仿真

3.1振荡器部分

3.1.110khz正弦信号振荡器

图带通滤波器电路设计

本部分用的是 Multisim 软件仿真，如下图所示：

图 3.1.1 低频（10khz）正弦信号振荡器仿真结果

由仿真结果来看振荡器的频率是 9.95khz 的正弦信号。虽然不正好是 10khz，但是已经非常

接近了，由于在仿真软件中电阻箱的调整的最小值是百分之 2，所以这个振荡频率很难调，相信在实际的电路上，通过手动调节电位器，振荡的频率的精度会进一步的提高。

3.1.2100khz正弦信号振荡器

图 3.1.2 中频（100khz）正弦信号振荡器仿真结果

上图是射频所要求的 100khz 的正弦信号的仿真图，从图上可以看出经过不懈的调试，最终把振荡频率稳定在了正好 100khz 上。

3.1.21MHZ正弦信号振荡器

3.2滤波器部分

图 3.1.3 中频（1MHZ）正弦信号振荡器仿真结果

3.2.1巴特沃斯低通滤波器

本部分用的是 Multisim 软件仿真，如下图所示：

图 3.2.1 巴特沃斯低通滤波器原理图

图 3.2.2 巴特沃斯低通滤波器原理图(10Khz)

图 3.2.3 巴特沃斯低通滤波器原理图(30Khz)

分析：仿真时遇到了麻烦，一开始是输出信号的幅度值增加，也就是说该滤波器是有增益的，但是我设计的是无源滤波器，所以上网查资料知道，仿真结果不正确是因为电感实际上不是理想的，所以需要在电感后面串联一个电阻，经过尝试发现串联电阻确实是可行的（实际电路上不需要加上），所以上面的仿真结果是在每个电感的后面加上 10 欧姆的电阻得到的。从仿真的结果可以看出该滤波器当滤波的信号是 10khz 时可以很好地滤波，输出信号有略微的衰减。当频率是

30khz 的信号通过该滤波器时，输出的信号幅度几乎没有，可以说该巴特沃斯低通滤波器是达到设计要求的。

3.2.2巴特沃斯带通滤波器

本部分用的是 Multisim 软件仿真，如下图所示：

图 3.2.4 巴特沃斯带通滤波器原理图该原理图中电感上都串了一个电阻（3 欧姆，这个是根据电感选择的），这是为了仿真，在

实际的电路中是不需要的，原因在低通部分已经进行了说明。

图 3.2.5 巴特沃斯带通滤波器(100khz）

图 3.2.6 巴特沃斯带通滤波器(150khz)

图 3.2.7 巴特沃斯带通滤波器(50khz)

图 3.2.5 是输入为频率为 100khz 正弦信号得到的结果，由图可知滤波效果很好如果输入的是 150khz 或 50khz 的信号将会发现输出的信号的幅度在 20mv 左右，完全可以认为没有信号滤除的比较完整。从仿真的结果来看该滤波器完好的实现了带通滤波器的功能。

3.2.2巴特沃斯高通滤波器

本部分用的是 Multisim 软件仿真，如下图所示：

图 3.2.8 巴特沃斯高通滤波器原理图

该原理图中电感上都串了一个电阻（电阻的阻值是根据电感选择的），这是为了仿真，在实际的电路中是不需要的，原因在低通部分已经进行了说明。

图 3.2.9 巴特沃斯带通滤波器(1000khz)

图 3.2.9 是输入为频率为 1000khz 正弦信号得到的结果，由图可知滤波效果很好

如果输入的是 800khz 的信号将会发现输出的信号的幅度很小，完全可以认为没有信号滤除的比较完整。从仿真的结果来看该滤波器完好的实现了高通滤波器的功能。

3.3振荡器 PCB板图

3.3.1低频振荡器 PCB板图

图 3.3.1 低频文氏电桥 PCB 板图

图 3.3.2 中频文氏电桥 PCB 板图

3.3.3高频振荡器 PCB板图

图 3.3.3 高频 LC 振荡器 PCB 板图

3.4滤波器 PCB板图

3.4.1低通滤波器 PCB板图

图 3.4.1 低通滤波器 PCB 板图

图 3.4.2 带通滤波器 PCB 板图

3.4.3高通滤波器 PCB板图

图 3.4.3 高通滤波器 PCB 板图

4元器件清单

4.1振荡器部分元器件清单

表 11 振荡器元件清单

类型	型号	规格	封装	数量
运算放大器	LM324N	/	DIP14	2
高频三极管	9018	/	TO-92A	1
电阻	金属膜电阻	470 	AXIAL0.3	1
		1 k		5
		47 		1
2 k	1

			6.8 k		1
二极管	1N4148		/		4
	发光二极管		/	RADO.1	5
接上表 11
电位器	细调		100K	TO-220	2
			10K		5
	粗调，双联		10K	自制	1
电容	瓷片电容		1 nF	RADO.1	3
			10 nF		1
			470 pF		1
220 pF	1
4.7 nF	2
0.1  F	5
电解电容		10  F		5
可调电容		40 pF	RADO.2	1
电感	色环电感		220  H	RADO.1	1
			330  H		1

4.2滤波器部分元器件清单

表 12 滤波器元件清单

类型	型号		规格	封装	数量
电阻	金属膜电阻		47 	AXIAL0.3	1
			10 k		2
电容	瓷片电容		100 nF	RADO.1	2
			10 nF		2
			22 nF		2
14 nF	14
电解电容		100  F		7
			22  F		6
电感	色环电感		22  H	RADO.1	4
			10  H		2
			330  H		1
47  H	1

五、调试与分析

表 5.1 测试条件

测试时间	2016 年 8 月 16 日
测试地点	安徽大学笃行北楼 A518 创新实验室
测试环境	温度：29℃，湿度：45%
测试仪器	GDS-3152	150MHz，2.5Gsps 数字存储示波器
	AFG-3081	80MHz 函数信号发生器
	GPD-3303D	直流稳压电源
测试方法	使用直流稳压电源供给电路所需电压，使用示波器观察信号时域波形及频谱，使用函数信号发生器作为滤波器的输入信号。

图 5.1 振荡器实物图（从左往右依次为：100KHZ，10KHZ，1MHZ）

图 5.2 滤波器实物图（从左往右依次为：带通、低通、高通）

5.1 振荡器

5.1.1 失真现象振荡器在调试过程中出现了很多失真现象。所幸经分析调整后均得到了解

决。失真现象及解决方法总结如下：

1、1MHz

（1）不起振现象：无波形输出。分析：直流电位点设置不当/焊接有误。

解决方法：再次检查焊接有无问题。按照调试说明调整两个电位器。

（2）波形某个半周或整体出现失真现象：波形的某个半周斜率变得平坦或其他失真。分析：反馈电位器调整不当/阻尼电阻选取不当。

解决方法：调整 1K 电位器，必要时更换并联在电感两端的电阻。

2、10KHz/100KHz

（1）削波失真现象：输出波形类似方波或者上下波形变平，且幅度很大，接近电源电压。分析：反馈过大。

解决方法：调整 50K 电位器，必要时和 20K 电位器联调。

（2）毛刺失真（平坦交越失真）现象：波形在过零点处出现较大毛刺，或者波形在过零点处变得平坦。分析：此为 LM324 自身因素造成的失真。解决方法：振荡器输出端（初级输出端）接 470~1KΩ 的电阻至负电源。

（3）陡峭交越失真现象：波形在过零点处出现突变，斜率很大。分析：反馈通路中二极管死区电压造成解决方法：微调 20K 电位器即可。

（4）不起振/易停振

现象：无波形输出/振荡幅度不稳定且过一段时间停振。分析：反馈程度不足。解决方法：首先检查焊接有无问题，是否有虚焊或短路情况。检查无误后按照调试方法重新调整。必要时可适当微调 50K 电位器。

5.1.2 调试方法与结果

1、10KHZ振荡器：

(1) 调试方法

先不焊接 20K 的电位器，把其他元器件焊接完成后，调节 50K 的反馈电位器和双联电位器使其产生 10KHz/100KHz 左右的振荡且尽量不产生削波失真，然后再焊接 20K 的电位器，微调使其在过零点处尽量不产生陡峭交越失真。最后整体

微调三个电位器产生稳定的正弦波形。

(2) 调试结果

图 5.1 10KHz 振荡器时域波形

由示波器结果可见，时域波形无明显失真。频率在 10KHz 附近且可调，输出信号峰峰值幅度在 3.68Vpp 左右。符合设计要求。

2、100KHZ振荡器

(1)调试方法：同 10KHz。

(2)调试结果：

3、1MHZ 振荡器

(1) 调试方法

图 5.2 100KHz 振荡器时域波形

焊接所有元器件后，用万用表测量三极管基极对地电压，调整 50K 电位器使

之为 5V。此时应可产生振荡波形。在微调 1K 电位器使输出波形尽量不失真。最后微调 40p 的可调电容，将频率调整为 1MHz。若实测频率相差较大，可考虑更换电感或在电感两侧并联焊接更大电容。

(2) 调试结果

图 5.3 1MHz 振荡器时域波形

由示波器结果可见，时域波形无明显失真。频率在 1MHz 附近且可调，输出信号幅度峰峰值在 2.34Vpp 左右，符合设计要求。

5.2 滤波器

由于滤波器的特性阻抗按照 50Ω设置，故测试时须将源端阻抗（信号源）和负载阻抗（示波器）均设置为 50Ω。输出电压均设置为 1Vpp。

5.2.1 低通滤波器

图 5.4 低通滤波器@10KHZ

由输出波形可见，低通滤波器在 10KHz 处的输出幅度为 664mVpp，增益约为

0.707 倍，即 3dB 的衰减，符合设计要求。

5.2.2 高通滤波器

图 5.5 高通滤波器@1MHz

由输出波形可见，低通滤波器在 1MHz 处的输出幅度为 808mVpp，增益约为

0.808 倍，即 1.85dB 的衰减，小于 3dB，符合设计要求。

图 5.6 高通滤波器@3dB

通过调整信号源输出频率至 3dB 衰减点，即 0.707 倍。可得低通滤波器的 3dB 衰减频率点约为 850KHz，低于 1MHz，符合设计要求。

图 5.7 高通滤波器（衰减为 20dB）

再将信号源输出频率调整至 20dB 衰减点，即 0.1 倍。可得高通滤波器的 20dB

衰减频率点约为 303KHz，符合设计要求。

5.2.3 带通滤波器:

图 5.10 带通滤波器@100KHz

由上图可以看出，带通滤波器在 100KHZ 处衰减至原信号峰峰值的 1/3 处，符合设计要求。

六、总结与体会：

按以往，该课设都是安排在学期末开始准备，当然那时候由于要准备期末考试，所以就没有时间来做这个射频实训。而今年有了小学期，除了实习之外，留给我们做射频额时间还是比较充分的。这次的实训内容也都是对之前学习的理论知识的一个应用，对于理论知识，虽说理论就是那样的，但是感觉让人摸不着看不着，通过这次实训，使得我们对理论知识掌握的更加深刻，理论应用于实践，

加强了我们的动手能力。对于自己而言，开始拿到实训额内容，并不知道如何下

手，因为我们组有比较厉害的，所以就跟着他们一起学习，小组是分模块完成的，遇到问题大家一起解决，大家一起分工协作，使得这次射频才完成的很顺利。通过这次实训，加强了自己对理论知识的掌握，同时也锻炼了动手能力。而且也体会到了一个团队的力量，大家一起努力才会做的更好。

这次的实训，组长贡献的较多，很感谢他那么有耐心的带着我们，同时也感谢许老师和常老师为我们提供了这次机会！

参考文献

[1]《电子线路设计·实验·测试》，第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社 [2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社 [3]《高频电路设计与制作》，何中庸译，科学出版社 [4]《通信电子线路》，第三版，高如云主编，西安电子科技大学出版社 [5]《模拟电子技术》。胡宴如主编，高等教育出版社 [6]《电子技术基础实验与课程设计指导》，第二版，高吉祥，主编，电子工业出版社

帐号		自动登录	找回密码
密码			立即注册

射频电路实训报告论文下载 滤波器设计(低通 带通 高通)振荡器(低频 中频 高频)

相关帖子

射频电路实训报告论文下载滤波器设计(低通带通高通)振荡器(低频中频高频)