課程設(shè)計四階低通濾波器設(shè)計

1、評閱教師評語：課程設(shè)計成績考勤成績實做成績報告成績總評成績指導教師簽名：測控電路及裝置課 程 設(shè) 計 報 告論文題目： 四階低通濾波器設(shè)計 學院（系）： 班 級： 學生姓名： 學號 指導教師： 時間： 從 年 月 日 到 年 月 日四階低通濾波器設(shè)計摘要：濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算系統(tǒng)，其中則是針對于連續(xù)的模擬信號。低通濾波器是模擬濾波器的一種，其通頻帶是從零延伸到某一上限的頻率，而設(shè)計濾波器的方法根據(jù)要求的不同主要有巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和貝塞爾逼近。本電路是巴特沃斯逼近通帶增益為4，截止頻率的四階低通濾波器。關(guān)鍵詞：巴特沃斯逼近，四階低通濾波器，加法器，op7，壓控電壓源一、

2、原理與總體方案1.1原理常見的高階濾波器的設(shè)計常常是由一階和二階的低通濾波器串聯(lián)得來，此次設(shè)計的四階低通濾波器，則是由兩個二階低通濾波器串聯(lián)得來。而濾波器的設(shè)計由于對相頻和幅頻的要求不同主要有三種設(shè)計方式巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和貝塞爾逼近。這次的設(shè)計選擇了保持幅頻特性單調(diào)變化的前提下，通帶內(nèi)特性最為平坦的巴特沃斯逼近。其幅頻特性為公式1其中n為網(wǎng)絡(luò)階數(shù)，為轉(zhuǎn)折頻率。n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可由下式確定：式中 公式2本電路圖為一個增益為四的四階低通濾波器，則由上式可知有兩個增益為二階的低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成。為了更為明確地看到低通濾波的效果，現(xiàn)在四階低通濾波器的前面加一個加法器的輸入。1

3、.2總體方案1.2.1加法器的設(shè)計加法電路是信號運算電路中的基本電路，按照相位關(guān)系可以分為同向加法電路和反向加法電路，本電路圖由于方便看相位的原因，選擇同向加法電路。 有計算可得 則可以得到1.2.2四階低通濾波器的設(shè)計 由公式1、2可得的用巴特沃斯逼近法設(shè)計電路的幅頻特性及傳遞函數(shù)計算可得兩級的二階濾波的阻尼一個環(huán)節(jié)具有較小的阻尼=0.765，另一個環(huán)節(jié)具有較大的阻尼=1.848采用壓控電壓源型低通濾波電路則可先根據(jù)二階有源濾波器設(shè)計電容選擇用表查得所用的電容再根據(jù)：+-+nr0ruo(t)ui(t)c1c2r2r1求得兩級電路的電阻大小 二、仿真設(shè)計2.1 仿真電路圖如圖1.所示按照總體方

4、案中1.2.1、1.2.2中計算出來的參數(shù)，和電路圖形，選擇運放op07和相應(yīng)個數(shù)的電阻和電容，按照計算值更改相應(yīng)的參數(shù)大小。找出信號發(fā)生器和示波器按照信號的輸入輸出接線。調(diào)整信號發(fā)生器、示波器、波特圖示儀已達到相應(yīng)的輸出結(jié)果。圖1 仿真電路圖2.2仿真幅值譜調(diào)節(jié)輸入輸出的大小，和衰減的大小，得到如圖二的通頻帶內(nèi)的仿真幅值圖，由圖可以看到巴特沃斯逼近的基本原則是在保持幅頻特性單調(diào)變化的前提下，通帶內(nèi)特性最為平坦。在通頻帶內(nèi)為12.044db，調(diào)整到衰減3db的地方，得到其截止頻率為1khz，如圖三所示。 圖2 仿真幅值譜，通頻帶內(nèi)圖3 仿真幅值譜，截止頻率2.3仿真相位譜如圖四所示為仿真相位譜

5、，可以看出由巴特沃斯逼近設(shè)計出來的電路圖的相頻特性不是最好的，存在一定的失真和過沖的情況。圖4 仿真相位譜2.4 圖五所示為四階低通濾波器的輸入輸出波形圖，輸入加法器的信號是有一個高頻信號和一個低頻信號相加得到，圖五中的通道a則是輸入加法器中的低頻信號。由于信號通過了四階低通濾波器，所以濾除了高頻的信號只剩下低頻信號并且進行四倍放大圖五中的通道b則是輸出信號。由仿真儀器顯示可得輸入信號的幅值為998.969mv輸出信號的幅值為4.001v。由此可得放大倍數(shù)為四倍，但是由圖可知，輸入輸出信號存在一定量的相位差，但由于期間的原因相位差不可以避免。圖5 仿真波形三、硬件設(shè)計3.1 電路板的設(shè)計制作

6、如圖六所示為電路板的實物圖，由于在實物器件中不能找到與計算值完全相同的電阻。所以制作出來的電路圖不能像仿真那樣的標準結(jié)果，所以制作電路板時需要隊電阻的大小進行調(diào)整，已達到最為接近的結(jié)果。由實物調(diào)整最終電阻的大小為由兩個10k的電阻串聯(lián)和兩個2k的電阻并聯(lián)后在串聯(lián)，由一個10k的電阻和一個2k的電阻串聯(lián)，由一個的大小為10k的電位器代替，則由兩個10k和兩個4.7k四個電阻串聯(lián)得來。保持與仿真相同大小。在測試的過程中調(diào)節(jié)電阻和電容的大小使得其達到所需的效果圖六 電路板實物照片3.2 示波器調(diào)試圖七 示波器調(diào)試波形圖（通頻帶內(nèi)）圖八 示波器調(diào)試波形圖（衰減3b） 由圖可以得到，放大倍數(shù)為四倍，截止

7、頻率為1khz，同向，具有一定的相位差四、調(diào)試4.1設(shè)計中遇到的問題沒有合適的電阻大小與計算出來的電阻相匹配，采取的解決方式是根據(jù)所有電阻和所需電阻的大小，使用串聯(lián)和并聯(lián)以及電位器的接入使得其中的誤差最??；放大倍數(shù)過大（過?。?，解決方法是調(diào)整電路中的電阻阻值大小，使輸出達到要求的四倍增益；截止頻率過大（過小），解決方法是調(diào)整電路中電容的容值大小，過大串聯(lián)，過小并聯(lián)，是電路的截止頻率在1khz。4.2調(diào)試中遇到的問題調(diào)試中的輸出波形失真，解決辦法是調(diào)小輸入的幅值大小，使幅值不超過1v，調(diào)試中無輸出波形，則是輸入頻率過高，高于1khz的截止頻率，調(diào)整輸入信號的兩個頻率，調(diào)為其中一個頻率大于截止頻率

8、一個頻率小于截止頻率。五、測試與分析 測試所得增益為4，截止頻率。增益=4，是由兩階增益為二的二階低通濾波放大得來，輸入的幅值為1v，輸出的幅值為4v，剛好四倍。截止頻率是在輸出初值不變的情況下調(diào)整輸入頻率而輸入幅值不變的情況下，調(diào)得輸出幅值為原幅值的0.707倍，也就是衰減3db后頻率為1khz。六、結(jié)束語 本電路是測控中最為基本的電路，設(shè)計方法也是最為基礎(chǔ)的。通過這次設(shè)計，把原來局限于書本上的單一計算設(shè)計與實驗時的單一測量過結(jié)果聯(lián)系起來，讓基礎(chǔ)的計算到設(shè)計初步電路到仿真修改再到電路的實物制作，最后的硬件調(diào)試及測量幾個過程連貫起來。進一步熟悉了巴特沃斯逼近的設(shè)計方法，仿真軟件multisim的使用及仿真調(diào)試，電路板的制作中的一些接線、節(jié)點、焊接問題的解決，實物調(diào)試時示波器的使用以及出現(xiàn)的各種問題的處理。更加深刻且深