二階低通濾波器要點(diǎn)

1、欽州學(xué)院模擬電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告院系機(jī)械與船系海洋工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制自動(dòng)化學(xué)生班級(jí) 2013 級(jí)133班姓名 劉良新學(xué)號(hào) 1305402313指導(dǎo)教師單位欽州學(xué)院指導(dǎo)教師姓名 張曉培指導(dǎo)教師職稱(chēng)2016年10月二階低通濾波器自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)2013級(jí)劉良新指導(dǎo)教師張曉培摘要：濾波器是一種使用信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置，在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動(dòng)控制、 通信及其它電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 濾波一般 可分為有源濾波和無(wú)源濾波，有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭，而無(wú)源濾波設(shè)計(jì)簡(jiǎn) 單易行，但幅頻特性不如有源濾波器，而且體積較大。二階低通濾波器可用壓控和無(wú) 限增益多路反饋。采用集成運(yùn)放構(gòu)成的R

2、C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(diǎn)。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波 電路的重要一種，適合作為多級(jí)放大器的級(jí)聯(lián)。本文根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)一種壓控電壓 源型二階有源低通濾波電路，采用 proteus仿真軟件對(duì)壓控電壓源型二階有源低通濾 波電路進(jìn)行仿真分析、調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：二階低通濾波器，截止頻率，電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的：(1)進(jìn)一步掌握模擬電子技術(shù)課程所學(xué)的理論知識(shí)，重點(diǎn)復(fù)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)需要 的知識(shí)點(diǎn)。(2) 了解濾波器的工作原理，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會(huì)使用其進(jìn)行電路 設(shè)計(jì)。(3) 了解并熟悉電路設(shè)計(jì)的基本思想和方法。目錄前言 2第

3、一章課程設(shè)計(jì)要求 33.1 設(shè)計(jì)要求 3第二章系統(tǒng)組成及工作原理 23.2 有源二階壓控濾波器 23.3 無(wú)限增益多路反饋有源濾波器 4第三章電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇 53.4 二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 53.5 無(wú)限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 6第四章電路組裝及調(diào)試 64.1 壓控電壓源二階低通濾波電路 64.2 無(wú)限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器 9第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 115.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理 115.2 設(shè)計(jì)體會(huì) 11參考文獻(xiàn) 12附錄一芯片介紹： 12附錄二元件清單 13附錄三 實(shí)物圖 13欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)當(dāng)今時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)在各個(gè)

4、近代學(xué)科門(mén)類(lèi)和科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域中占有不可或缺的核心地位。 同時(shí)在國(guó)家的事業(yè)中發(fā)揮了重大作用， 只有科 技才能使一個(gè)國(guó)家變得真正強(qiáng)大。作為一名大學(xué)生不僅僅要努力學(xué)習(xí)理論知識(shí)，還要 把理論運(yùn)用到實(shí)踐中去，做到學(xué)以致用。低通濾波器的使用非常廣泛。該種濾波器只讓規(guī)定的低頻率通過(guò)，而且電路性能 穩(wěn)定，增益易調(diào)節(jié)。利用這一特點(diǎn)不僅可以通過(guò)有用信號(hào)還可以抑制無(wú)用信號(hào)。工程上常常用低通濾波器作信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾。例如：無(wú)線電發(fā)射機(jī)利用低 通濾波器阻塞可能引起與其它通信發(fā)生干擾的諧波發(fā)射；固體屏障也是一個(gè)聲波的濾 波器，當(dāng)一個(gè)房間播放音樂(lè)時(shí)很容易聽(tīng)到低音，但高音被濾掉了。我國(guó)現(xiàn)有濾波器的種類(lèi)和所覆蓋的頻

5、率雖然基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。 但從 整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無(wú)源濾波器緩慢， 尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。我國(guó)電子 產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍是一個(gè)問(wèn)題。第一章課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1設(shè)計(jì)要求1 .分別用壓控電壓源和無(wú)限增益多路反饋兩種方法設(shè)計(jì)電路2 .截止頻率fc=2000HZ3 .增益Av=2第二章系統(tǒng)組成及工作原理2.1有源二階壓控濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示Ri 同相比例放大電路圖2.1二階有源低通濾波基礎(chǔ)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(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率f>>f0時(shí)(f

6、0為截止頻率)，電路的每級(jí) RC電路的相移趨于-90o,兩級(jí)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(shí)通過(guò)電容 c引到集成運(yùn) 放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)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(hào)通過(guò)。具特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：.Vo(s) _AvfA(S)-2(2 1)Vi(s)1 (3-AVF)sCR (sCR)2令A(yù)0=Avf稱(chēng)為通帶增益 (2-2)1Q=稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù) (2-3)3 - A/F1 切c = 稱(chēng)為特征角頻率 (2-4)RC則 A(s)=A

7、0 '。(2-5)s2 - s - - -c Q注 當(dāng)3-A/fA0,即Avf< 3時(shí)濾波電路才能穩(wěn)定工作。2.2無(wú)限增益多路反饋有源濾波器基本形式圖2&T N *工al j圖2.2 無(wú)限增益多路反饋有源濾波基礎(chǔ)電路在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號(hào)加到集成運(yùn)放的同相輸入端， 同時(shí) 電容C1在電路參數(shù)不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激震蕩。為了避免這一點(diǎn)，Aup取值應(yīng)小于3.可以考慮將輸入信號(hào)加到集成運(yùn)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(gòu)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=f0附近的頻率特性幅度

8、。由于所示電路中的運(yùn)放可看 成理想運(yùn)放，即可認(rèn)為其增益無(wú)窮大，所以該電路叫做無(wú)限增益多路反饋低通濾波電 路。15Au(s)C1C2R1R21Ci戶111 t s -R2R3C1C2R2R3Au(Sl)=Auo21.SlSl1Q(2-6)(2-7)s其中：Sl = s , Q為品質(zhì)因數(shù)。- c第三章 電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇3.1 二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算- = 1-（I 川 ）(3-1)R1:R2=1,取 R1=R2=10K 然Q RG R2G"代4所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使得后由中心頻率計(jì)算公試可以取 C1=C2=0.1uF,可以得出電阻R3=600a

9、,R4=1000a .本次課設(shè)電路中用1k的電位器調(diào)節(jié)的到600代替。仿真電路圖如下所示：圖3.1.1壓控電壓源二階低通濾波3.2 無(wú)限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù):Auo(3-2)濾波器的截止角頻率:,R2R3C1C2=2-：fc c根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使得(3-3)C3=C4 WJ可以取 C3= C4=0.1uF,然后由中心頻率計(jì)算公式，電壓增益公式以及品質(zhì)因素的公式計(jì)算參數(shù)， 依據(jù)以上三 個(gè)公式，取 f0=2KHz, Q=0.707,令 R5=200,R7=10(n , R6=400Q，而實(shí)踐中，電阻測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值有較大誤差，本電路中 R5

10、,R7用1K的電位器調(diào)節(jié)得到，使得其等于200和100a即可基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其仿真電路圖如下圖3.2.1無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路第四章電路組裝及調(diào)試4.1壓控電壓源二階低通濾波電路R& 1 ->«+ 'O圖4.1.1壓控有源二階低通濾波基礎(chǔ)電路當(dāng)輸入的信號(hào)頻率小于截止頻率 2000hz,其電路的增益為2.即其波形的峰峰值是兩倍。當(dāng)f=lKHZ, f=2KHZ, f=4KHZ時(shí)得仿真圖如下Digital OscilloscopeRantrsRanaBWarveformChannel CChannel BChannel D"1VSM Signal G

11、eneratorPositionGNDAju!o|One-ShotCursoFE|Source BCDPosidonGND off |lovediwsr1AmplitudePoaition _ HLDC GND OFFIrwBft. |LevelFrequencyPdanly67L總陽(yáng)fSou FCS BCDPosilionPosidonDC GND OFFliwedChannel ALOOK500m圖4.1.2 f=1KHZ時(shí)仿真圖Digital Oscilloscope|mifo6h酰 Curw”_Sdufdb B C DChannel BChannel CACDC電AulaChannel

12、 D圖4.1.3 f=2KHZ時(shí)仿真圖Digital Oscilloscope圖4.1.4 f=4KHZ時(shí)仿真圖4.2無(wú)限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器當(dāng)輸入的頻率是1000Hz , 2000HZ,4000Hz 的交流電源是輸出信號(hào)的波形圖分別如下：輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系分別是2倍，1.3倍 然后是截至了，趨于0.濾波器的濾波效果已經(jīng)達(dá)到，截至頻率是2000Hz。小于2000Hz時(shí)，輸出波放大2I rFrtuiACChannel CCliannel DDigital。標(biāo)ill。火。peLevelSourceAjlt&c Ont'Shc*GNO OFFIfliVBrL . JPalA

13、myWav MotePmhcinPtMMAH . .- -A CiPoMKinRoiiilQn圖4.2.1 f=1KHZ時(shí)仿真圖Digital OscilloscopeClhiAinel CL«v«lPoMionIn幅日nllnvertSourcePosiiiDnIwverlInvertVSM Signal GEnc己tor&門(mén)gLe所WsvefofmFreq&jcncyAmplrtdeAulo Ghe-Shot500nl圖4.2.2 f=2KHZ時(shí)仿真圖Digital OscilloscopeChann&l B ChariKiel DChdM C4

14、 / Centre件1 | mV “ 5| mVLe-rfw圖4.2.3 f=4KHZ時(shí)仿真圖第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)論5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析表5.1.1壓控電壓源二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f/Hz124輸入/V0.50.50.5輸出/V10.70.4理論上當(dāng)輸入電壓 0.5v,f<2KHZ時(shí)輸出為輸入的2倍即1v,f=2KHZ時(shí)輸出約為 輸入的1.4倍即0.7v, f>2KHZ時(shí)輸出減小逐漸趨于0。表5.1.2無(wú)限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f/Hz124輸入/V0.50.50.5輸出/V10.80.3理論上當(dāng)輸入電壓0.5v,f<2KHZ時(shí)輸出為輸入的2倍即1v,f=2KHZ時(shí)

15、輸出約為 輸入的1.3倍即0.8v, f>2KHZ時(shí)輸出減小逐漸趨于0。誤差分析：由于元件標(biāo)稱(chēng)值與實(shí)際值有誤差，加之儀器本身的誤差，在焊接過(guò)程中電烙鐵溫度很高使得整塊電路板很燙可能會(huì)影響各元件的性能從而帶來(lái)一定誤差示波 器時(shí)由于導(dǎo)線接觸不良容易產(chǎn)生干擾?？偟膩?lái)說(shuō)在誤差允許之內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)是成功的。5.1設(shè)計(jì)體會(huì)在拿到題目之初我們進(jìn)行了細(xì)致的討論，進(jìn)行了分工合作，每個(gè)組員都參與其中， 而我主要負(fù)責(zé)的是有關(guān)電路的設(shè)計(jì)仿真以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，參照課程設(shè)計(jì)的要求， 查閱了諸多相關(guān)資料，在小組內(nèi)部進(jìn)行討論分析并敲定方案，在計(jì)算數(shù)據(jù)的時(shí)候，因?yàn)閷?duì)一下公式的理解不夠透徹，導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)，最后多加查閱相關(guān)知

16、識(shí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)。 才 計(jì)算正確，并成功的將實(shí)驗(yàn)仿真出來(lái)，我們立即購(gòu)買(mǎi)材料，然后進(jìn)行作品的制作，以 及最后的調(diào)試，作品大家一起努力做了出來(lái)，雖然遇到了一些困難，但經(jīng)過(guò)我們的努 力最后都克服了。1王港元.電工電子實(shí)踐指導(dǎo).江西.江西科學(xué)技術(shù)出版社，20002康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京.高等教育出版社，20053童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京.高等教育出版社，20084彭介華.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京.高等教育出版社，2003附錄一芯片介紹:產(chǎn)品型號(hào)：LM324N1 .概述與特點(diǎn)LM324是由四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路。它設(shè)計(jì)在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動(dòng)化及光、機(jī)、電一 體化領(lǐng)域