二階低通濾波器的設計-模電課設報告

1、 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： 二階低通濾波器的設計 學 院 名 稱：信息工程學院 專業(yè)： 通信工程 班級： 學號： 姓名： 評分： 教師： 20 13 年 3 月 13 日 模擬電路 課程設計任務書20 12 20 13 學年 第 2 學期第 1 周 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f=2KHz；增益AV2；注：可使用實驗室電源。進度安排1. 布置任務、查閱資料、選擇方案，領儀器設備： 2天； 2. 領元器件、制作、焊接：3天3調(diào)試： 2天4. 驗收：0.5天學生姓名： 指導時間: 2.25

2、3.15指導地點：E樓311室任務下達 2.25任務完成 3.15考核方式1.評閱 2.實際操作 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(jié)束后與“課程設計小結(jié)”、“學生成績單”一并交院教務存檔。 摘要 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。二階低通濾波器可用壓控和無限增益多路反饋。采用集成運放構(gòu)成的RC

3、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要一種，適合作為多級放大器的級聯(lián)。本文根據(jù)實際要求設計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路，采用EDA仿真軟件Multisim12對壓控電壓源型二階有源低通濾波電路進行仿真分析、調(diào)試，從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設計。關(guān)鍵詞：二階低通濾波器，截止頻率，電路設計目錄前言1第一章 課程設計任務及要求21.1設計任務21.2設計要求2第二章 系統(tǒng)組成及工作原理32.1有源二階壓控濾波器32.2無限增益多路反饋有源濾波器4第三章 電路設計、參數(shù)計算、器件選擇63.1二階壓控低通濾波器設計及參數(shù)

4、計算63.2無限增益多路反饋有源濾波器的設計及參數(shù)計算6第四章 電路組裝及調(diào)試84.1壓控電壓源二階低通濾波電路84.2無限增益多路負反饋二階低通濾波器11第五章 實驗結(jié)論155.1實驗數(shù)據(jù)記錄與處理15參考文獻16附錄一 芯片介紹：17附錄二 元件清單18附錄三 實物圖19前言 當今時代，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，先進的電子技術(shù)在各個近代學科門類和科學技術(shù)領域中占有不可或缺的核心地位。同時在國家的事 業(yè)中發(fā)揮了重大作用，只有科技才能使一個國家變得真正強大。作為 一名大學生不僅僅要努力學習理論知識，還要把理論運用到實踐中去，做到學以致用。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，而且

5、電路性能穩(wěn)定，增益易調(diào)節(jié)。利用這一特點不僅可以通過有用信號還可以抑制無用信號。工程上常常用低通濾波器作信號處理，數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾。例如：無線電發(fā)射機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；固體屏障也是一個聲波的濾波器，當一個房間播放音樂時很容易聽到低音，但高音被濾掉了。我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率雖然基本上滿足現(xiàn)有各種電信設備。但從整體而言，我國有源濾波器發(fā)展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應用。我國電子產(chǎn)品要想實現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍是一個問題。第一章 課程設計任務及要求1.1設計任務1、學習RC有源濾波器的設計方法；2、由濾波器設計指標計算電路元件參數(shù)；3、設

6、計二階RC有源濾波器(低通)；4、掌握有源濾波器的測試方法；5、測量有源濾波器的幅頻特性。1.2設計要求1. 分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋兩種方法設計電路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電路如圖1所示 圖2.1 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ff0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-180º，電路的輸出電壓與輸入電

7、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。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為： (2-1)令8 稱為通帶增益 -（2-2）稱為等效品質(zhì)因數(shù) -（2-3） 稱為特征角頻率 -（2-4）則-(2-5)注 濾波電路才能穩(wěn)定工作。2.2無限增益多路反饋有源濾波器基本形式圖2 圖2.2 無限增益多路反饋有源濾波基礎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)不合適時會產(chǎn)生自激震蕩。為了避免

8、這一點，Aup取值應小于3.可以考慮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(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。由于所示電路中的運放可看成理想運放，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波電路。-（2-6） -（2-7）其中： ，為品質(zhì)因數(shù)。 第三章 電路設計、參數(shù)計算、器件選擇 3.1二階壓控低通濾波器設計及參數(shù)計算 (3-1)所以根據(jù)上述推導公式可得：電路設計時應該使得, 取，然后由中心頻率計算公試可以取C1=C2=0.1uF,可以得出電阻R1=800,R

9、2=800. 本次課設電路中用2k的電位器調(diào)節(jié)的到800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無限增益多路反饋有源濾波器的設計及參數(shù)計算通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： (3-2) 濾波器的截止角頻率： (3-3)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(zhì)因素的公式計算參數(shù)，依據(jù)以上三個公式，取f0=2KHz，Q=0.707，令R1=R2=200，=400,而實踐中，電阻測量值與標稱值有較大誤差，本電路中R1 ,R2用2K的電位器調(diào)節(jié)得到，使得其等于200即可基本達

10、到設計要求。其仿真電路圖如下 圖3.2.1 無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 圖4.1.1 壓控有源二階低通濾波基礎電路當輸入的信號頻率小于截止頻率2000hz，其電路的增益為2.即其波形的峰峰值是兩倍。當f=1KHZ，f=2KHZ，f=30kHZ時得仿真圖如下 圖4.1.2 f=1KHZ時仿真圖 圖4.1.3 f=2KHZ時仿真圖 圖4.1.4 f=30KHZ時仿真圖4.2無限增益多路負反饋二階低通濾波器當輸入的頻率是1000HZ ，2000HZ， 30000JHZ 的交流電源是輸出信號的波形圖分別如下： 輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系分別是2倍，1

11、.4倍 然后是截至了， 趨于0.濾波器的濾波效果已經(jīng)達到， 截至頻率是2000HZ。小于2000HZ時，輸出波放大2倍。 圖4.2.1 f=1KHZ時仿真圖 圖4.2.2 f=2KHZ時仿真圖圖4.2.3 f=30KHZ時仿真圖第五章 實驗結(jié)論 5.1實驗數(shù)據(jù)記錄與處理表5.1.1壓控電壓源二階低通濾波器實驗數(shù)據(jù)理論上當輸入電壓8v,f<2KHZ時輸出為輸入的2倍即16v，f=2KHZ時輸出約為輸入的1.4倍即11.2v，f>2KHZ時輸出減小逐漸趨于0。誤差分析：f=1KHZ，誤差n為-2.5%，f=2KHZ，誤差n為7.14%,f>10KHZ已完全濾波。由于元件標稱值與實

12、際值有誤差，加之儀器本身的誤差，使得產(chǎn)生微小偏差。在誤差允許之內(nèi)，本次實驗是成功的 表5.1.2無限增益多路負反饋二階低通濾波器實驗數(shù)據(jù)理論上當輸入電壓8v,f<2KHZ時輸出為輸入的2倍即-16v，f=2KHZ時輸出約為輸入的1.4倍即-11.2v，f>2KHZ時輸出減小逐漸趨于0。誤差分析，當f=1KHZ時誤差n=(-14+16)/-16即-12.5%，f=2KHZ時誤差n=(-10+11.2)/-11.2即-10.7%，當f>10KHZ時已完全濾波。由于元件標稱值與實際值有誤差，加之儀器本身的誤差，在焊接過程中電烙鐵溫度很高使得整塊電路板很燙可能會影響各元件的性能從而帶

13、來一定誤差示波器時由于導線接觸不良容易產(chǎn)生干擾。總的來說在誤差允許之內(nèi)，本次實驗是成功的。參考文獻1 王港元.電工電子實踐指導.江西.江西科學技術(shù)出版社，20002 康華光.電子技術(shù)基礎模擬部分.北京.高等教育出版社，20053 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎.北京.高等教育出版社，20084 彭介華.電子技術(shù)實驗與課程設計.北京.高等教育出版社，2003附錄一 芯片介紹：產(chǎn)品型號：LM324N1.概述與特點LM324是由四個獨立的運算放大器組成的電路。它設計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)自動化及光、機、電一體化領域中有廣泛的應用。其特點如下：具有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；單電源3V30V，雙電源±1.5V±15V 內(nèi)含相