二階有源濾波器的設計-模電課設報告要點

1、七&高i室十厚課程設計說明書課程設計名稱：模擬電路課程設計課程設計題目：二階有源濾波器的設計學院 名稱：南昌航空大學信息工程學院專業(yè)：通信工程班級： 110423班學號：姓名：評分：教師：2013年 3月 11 日右3音t空士珍模擬電路課程設計任務書2012- 2013學年第 n 學期 第周一 3周題目二階低通濾波器的設計內(nèi)容及要求 分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋二種方法設計電路；截止頻率fc=2khz;增益av =2。進度安排第1周：查閱資料，到機房學習仿真軟件，確定方案，完成原理圖設計及仿真；第2周：領元器件、儀器設備，制作、焊接、調(diào)試電路，完成系統(tǒng)的設計；第3周：檢查設計結果、撰寫課

2、設報告。學生姓名：指導時間：周一、周三、周四卜午指導地點：e樓311室任務下達2013年2月25日任務完成2013年3月15日考核方式1.評閱口2. 答辯口 3.實際操作臼4.其它口指導教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設計結束后與“課程設計小結”、“學生成績單” 一并交院教務存檔 此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。有源低通濾波器是一種通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。本次試驗主要采用了由四個獨立運算放大器組成的 lm324芯片和可調(diào)性電位器，通過壓控電壓 源和無限增益多路反饋兩種方法來設

3、計 rc網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡、multisim仿真分析及焊 板和調(diào)試，從而得到具有特定截止頻率的二階濾波器。關鍵字：低通，濾波器，lm324前言 1第一章系統(tǒng)組成及工作原理 21.1 有源濾波器系統(tǒng)組成 21.2 工作原理 21.2.1 有源二階壓控濾波器工作原理 21.2.2 無限增益多路反饋濾波器工作原理 4第二章設計方案 52.1 方案選擇 52.2 電路及其參數(shù)設計 62.2.1 有源二階壓控濾波器電路及參數(shù)設計 62.2.2 無限增益多路反饋濾波器的電路及參數(shù)設計 7第三章電路調(diào)試及結果分析 83.1 電路組裝及調(diào)試 83.2 測試結果與分析 83.2.1 仿真結果圖 83.2.2 實驗數(shù)

4、據(jù)記錄 93.2.3 實驗結果分析 10第四章 結論 11參考文獻 12、乙刖 百濾波器是一種使用信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，在信息處理、 數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動控制、 通信及其它電子系統(tǒng)中應用廣泛。濾波一般可分為 有源濾波和無源濾波，有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭，而無源濾波設計簡單易行， 但幅頻特性不如有源濾波器，而且體積較大。從濾波器階數(shù)可分為一階和高階，階數(shù) 越高，幅頻特性越陡峭。高階濾波器通常可由一階和二階濾波器級聯(lián)而成。 采用集成 運放構成的rc有源濾波器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低，可提供一定增益，截止頻 率可調(diào)等特點。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波電路的重

5、要一種，適合作為多級放大器的級聯(lián)。12第一章系統(tǒng)組成及工作原理1.1 有源濾波器系統(tǒng)組成原理框圖如圖1.1所示:圖1.1 rc有源濾波總框圖如上圖可知，有源濾波器濾波器是由 rc網(wǎng)絡，反饋網(wǎng)絡以及放大電路三部分組 成。其中在電路中rc網(wǎng)絡通常主要由電阻和電容組成，起著濾波的作用，濾掉不需 要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用。 而反饋網(wǎng)絡將輸出信號的一 部分或全部通過牧電路印象輸入端， 稱為反饋，其中電路稱為反饋網(wǎng)絡，反饋網(wǎng)絡分 為正、負反饋。并且在電路中運用同相輸入運放，其閉環(huán)增益rvf=1+r4/r3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。1.2

6、工作原理1.2.1 有源二階壓控濾波器基礎電路如圖2所示:cbckj同相比例放大電路圖1.2二階有源低通濾波基礎電路它由兩節(jié)rc濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當信號頻率 f f0時（f0為截止頻率），電路的每級rc電路的相移趨于-90o,兩級rc電路的移相到 -1800,電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容 c引到集成運放同相 端的反饋是負反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用， 使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。其特點是輸入阻抗

7、高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：a(s)=vo(s)vi(s)avf_ _21 (3-avf)scr (scr)2(1.1)通帶增益：a=a/f (1.2)等效品質因數(shù):13-avf特征角頻率:rca(s)=a。；(1.3)(1.4)(1.5)注：當3_加0,即從尸3時，濾波電路才能穩(wěn)定工作。1.2.2 無限增益多路反饋有源濾波器基礎電路如圖1.3所示:可看成理想運放, 波電路。au (s) =s j1c1c2r1r2(1.6)ci rr2r3 jc1c2r2r3圖1.3無限增益多路負反饋二階低通濾波電路在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號加到集成運放的同相輸入端，同時電容c1在電路參數(shù)不

8、合適時會產(chǎn)生自?殷震赤 為了避免這一點，aup取值應小于3?？梢钥紤]將輸入信號加到集成運放的反相輸入端，采取和二階壓控電壓源低通 濾波電路相同的方式，引入多路反饋，構成反相輸入的二階低通濾波電路， 這樣既能 提高濾波電路的性能，也能提高在f=fo附近的頻率特性幅度。由于所示電路中的運放即可認為其增益無窮大，所以該電路叫做無限增益多路反饋低通濾(1.7)(1.8)au(sl);auos2sl 1q-s，一其中：sl（q為品質因數(shù)）c第二章方案選擇及設計2.1方案選擇1 .濾波器的選擇一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高 的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特

9、性對參數(shù)變化比較敏感， 在這點上它 不如壓控電壓源型二階濾波器。2 .級數(shù)的選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通電路或高通 電路可獲得-6db每倍頻程（-20db每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲 得-12db每倍頻程（-40db每十倍頻程）的衰減。3 .元器件的選擇一般設計濾波器時都要給定截止頻率 fc （筋內(nèi)增益av,以及品質因數(shù)q （二 階低通或高通一般為0.707）。在設計時經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元 件取值的參數(shù)之數(shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少

10、，電容難配， 而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表 2-1初選電容值。表2-1濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應關系頻率c110(hz)10102 (hz)102103 (hz)110 (khz)_310103(khz)102103 (khz)電容f2010(f)100.1 (uf)0.10.01 (uf)104103 (pf)103102 (pf)21010 (pf)4 .2電路設計及參數(shù)計算2.2.1 二階壓控低通濾波器電路及參數(shù)設計電路設計圖:1o011fu1acl hlokfl參數(shù)設計:將上式分母與表圖2.1壓控電壓源二階低通濾波器, ，一，.，、11歸一化傳遞函數(shù)的分母多項式比較得：

11、- = v2q(2.1)通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù):r4auo = af =1 0=2r3(2.2)12濾波器的截止角頻率：c： : 2二fc=2二10r1c1r2c2(2.3)c 1111(1 - auo)qr1c1r2c2r2c2(2.4)所以根據(jù)上述推導公式可得：電路設計時應該使得 九3 =1,根據(jù)市場能買到的器 r4件，則可以取r4=r3=10kq,然后由中心頻率計算公式可以取 ci=c2=0.1uf,可以得 出電阻ri=596.58k q r4=1.06255k q。.可以用2k q的電位器代替，基本達到設計要 求了。2.2.2 無限增益多路反饋有源濾波器的電路及參數(shù)計算電路設計圖:uio

12、-1u1a+1r5r2225.19l1looiif 二225.191u。圖2.2無限增益多路負反饋二階低通濾波器參數(shù)設計:通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù):auor3r1(2.5)濾波器的截止角頻率:c.r2r3c1c2二2 二 fc(26)根據(jù)上述推導公式可得：電路設計時應該使得c1=c2,根據(jù)市場能買到的器件，則可以取c1= c3=0.1uf,然后由中心頻率計算公式，電壓增益公式以及品質因素的公 式計算參數(shù)，依據(jù)以上三個公式，取 fo=2khz, q=0.707, aup=2。令r1=r2,可得: r1=r2=0.22519kq, r3 =0.45038k q而用r1,r2用2k q的電位器調(diào)節(jié)，使得

13、其等于 0.22519k q,即可基本達到設計要求。第三章電路調(diào)試及結果分析3.1 電路組裝與調(diào)試電路實物圖如下：圖3.1實物圖1圖3.2實物圖2通過元器件的排板和焊接等主要步驟得到如上濾波器電路后，對所設計好的電路進行調(diào)試。實驗過程中，將電路按設計原理圖接好，觀察是否有波形出現(xiàn)并與仿真結 果波形圖進行比較。若波形不正確，調(diào)節(jié)電路中的電位器，觀察示波器的波形，直到 出現(xiàn)正確的波形即可。若實驗過程中出現(xiàn)波形失真等現(xiàn)象，也可通過調(diào)節(jié)電位器的大 小將其糾正。3.2 測試結果與分析3.2.1 仿真結果圖當函數(shù)信號發(fā)生源輸入信號頻率為 1khz時，輸出信號的波形圖如下:圖3.3壓控二階濾波器輸出信號圖3

14、.4無限增益多路負反饋濾波器輸出信號當函數(shù)信號發(fā)生源輸入信號頻率為 2khz時，輸出信號的波形圖如下:圖3.5壓控二階濾波器輸出信號圖3.6無限增益多路負反饋濾波器輸出信號當函數(shù)信號發(fā)生源輸入信號頻率為 3khz時，輸出信號的波形圖如下:圖3.8無限增益多路負反饋濾波器輸出信號3.2.2實驗數(shù)據(jù)記錄表3-1壓控二階低通濾波器實驗數(shù)據(jù)輸入頻率f (khz)輸入電壓uo (v)輸出電壓ui (v)電壓增益av110202210141.431080.8表3-2無限增益多路負反饋二階低通濾波器實驗數(shù)據(jù)輸入頻率f (khz)輸入電壓uo (v)輸出電壓ui (v)電壓增益av110202210141.4

15、31080.83.2.3實驗結果分析在上述的二階低通濾波電路實驗中，當輸入的信號頻率小于截止頻率2khz時，其電路的電壓增益為2。即當輸入的頻率是1khz,其波形放大倍數(shù)為2。當輸入信號 頻率為2khz時，輸出與輸入的倍數(shù)關系是1.4倍。當輸入信號頻率為3khz時，輸出 與輸入的倍數(shù)關系是0.8倍.即當輸入信號大于截止頻率時，輸入信號逐漸趨于截止， 其增益趨于00濾波器的濾波效果已經(jīng)達到，截至頻率是 2khz。第四章實驗結論本次試驗所得的二階有源低通濾波器輸入阻抗高，輸出阻抗低，可提供一定的增益，截止頻率可調(diào)。在實驗調(diào)試過程中，也經(jīng)常出現(xiàn)因為元器件參數(shù)不對而導致波形 失真的狀況，所以在本次試驗中，選擇使用電位器。并且每個方案電路中只使用了一 個2kq的電位器，便于在適當范圍內(nèi)對波形進行調(diào)試，從而得到正確的截止頻率， 使得所設計的濾波器性能更佳。在設計方案的排板焊接上，本次實驗中只采用了一塊 電路板和一個lm324芯片。將兩