hz工频信号陷波器设计

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1、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

2、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

3、);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。滤波器的中心频率和抑制带宽BW之间的关系为：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，用作放大

4、器，其输出端作为整个电路的输出。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，对节点A列KCL方程，得：（1）同样，对节点B列KCL方程，得：（2）同样，对节点C列KCL方程，得：（3）由式（1）、（2）、（3）可得到电路的传递函数为：（4）令，得：（5）由带阻滤波器的标准形式：（6）可得：,其中当时，当远大于，或者远小于时，增益接近1。令，可以求得：（7）（

5、8）（9）（10）因此，当时，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的计算公式为：（11）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=31.85Ω，则C=100nf。带宽BW越小越好，取，，可得，

6、即，,取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：第4章基于运算放大器的工频信号陷波器性能测试4.1multisim50Hz正弦频率信号源仿真图4.1.1=50Hz时实测波形图图4.1.2=49Hz时实测波形图图4.1.2=51Hz时实测波形图4.2仿真数据记录及简要分析表4.1.1=49Hz、50Hz、51Hz时

7、数据记录频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差499.9998.523-1.39-0.196π509.9970.586-24.64-0.4π519.9998.876-1.0340.204π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，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，因此衰减较少，所以该