二階有源濾波器的設(shè)計-模電課設(shè)報告

1、 課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱： 模擬電路課程設(shè)計 課程設(shè)計題目： 二階有源濾波器的設(shè)計 學(xué) 院 名 稱： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級： 110423班 學(xué)號： 姓名： 評分： 教師： 2013 年 3 月 11 日 模擬電路 課程設(shè)計任務(wù)書20122013 學(xué)年第 2學(xué)期第 1 周 3 周 題目二階低通濾波器的設(shè)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(shè)計電路；截止頻率fc=2kHz；增益AV2。進(jìn)度安排第1周：查閱資料，到機(jī)房學(xué)習(xí)仿真軟件，確定方案，完成原理圖設(shè)計及仿真；第2周：領(lǐng)元器件、儀器設(shè)備，制作、焊接、調(diào)試電路，完成系統(tǒng)的設(shè)計；第3周：檢查設(shè)計結(jié)果

2、、撰寫課設(shè)報告。學(xué)生姓名： 指導(dǎo)時間：周一、周三、周四下午指導(dǎo)地點：E 樓 311室任務(wù)下達(dá)2013 年2月25日任務(wù)完成2013 年 3 月15日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導(dǎo)教師 系（部）主任 注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。 摘 要 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

3、增益多路反饋兩種方法來設(shè)計RC網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)、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(guān)鍵字：低通，濾波器，LM324目 錄前言1第一章 系統(tǒng)組成及工作原理2 1.1有源濾波器系統(tǒng)組成2 1.2工作原理2 1.2.1有源二階壓控濾波器工作原理2 1.2.2無限增益多路反饋濾波器工作原理4第二章 設(shè)計方案52.1方案選擇5 2.2電路及其參數(shù)設(shè)計6 2.2.1有源二階壓控濾波器電路及參數(shù)設(shè)計6 2.2.2無限增益多路反饋濾波器的電路及參數(shù)設(shè)計7第三章 電路調(diào)試及結(jié)果分析8 3.1電路組裝及調(diào)試8 3.2測試結(jié)果與分析8 3.2.1仿真結(jié)果圖8 3.2.2實驗數(shù)

4、據(jù)記錄9 3.2.3實驗結(jié)果分析10第四章 結(jié)論11參考文獻(xiàn)12前 言 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(yīng)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(shè)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?？捎梢浑A和二階濾波器級聯(lián)而成。采用集成運放構(gòu)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要一種，適合作為多級放大器

5、的級聯(lián)。 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(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)以及放大電路三部分組成。其中在電路中RC網(wǎng)絡(luò)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(guān)重要的作用。而反饋網(wǎng)絡(luò)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(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)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工作原理 1.2.1有源二階壓控濾波器

6、 基礎(chǔ)電路如圖2所示： 圖1.2 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，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)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(fù)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： (1.1) 通

7、帶增益： (1.2) 等效品質(zhì)因數(shù)： (1.3) 特征角頻率： (1.4) 則 (1.5)注：，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(chǔ)電路如圖1.3所示： 圖1.3 無限增益多路負(fù)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)不合適時會產(chǎn)生自激震蕩。為了避免這一點，Aup取值應(yīng)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(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

8、放可看成理想運放，即可認(rèn)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。 (1.6) (1.7) 其中： (為品質(zhì)因數(shù)） (1.8)第二章 方案選擇及設(shè)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

9、器件的選擇一般設(shè)計濾波器時都要給定截止頻率fc (c)帶內(nèi)增益Av，以及品質(zhì)因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)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?dāng)?shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)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(biāo)稱值的分檔較少，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(yīng)關(guān)系頻率c110(Hz)10102 (Hz) 102103 (Hz)110(kHz)10103(kHz) 102103 (kHz)電容f2010(F)100.1 (uF)0.10.01 (u

10、F)104103 (pF) 103102 (pF)10210 (pF)2.2電路設(shè)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(shè)計 電路設(shè)計圖： 圖2.1 壓控電壓源二階低通濾波器 參數(shù)設(shè)計： 將上式分母與表1歸一化傳遞函數(shù)的分母多項式比較得： (2.1) 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： (2.2) 濾波器的截止角頻率： (2.3) (2.4) 所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)該使得，根據(jù)市場能買到的器件，則可以取R4=R3=10k，然后由中心頻率計算公式可以取C1=C2=0.1uF，可以得出電阻R1=596.58k，R4=1.06255k.?？梢杂?k的電位器代替，基本達(dá)到設(shè)計要求了。

11、 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(shè)計圖： 圖2.2 無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器 參數(shù)設(shè)計： 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： (2.5) 濾波器的截止角頻率： (2.6)根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)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fO=2kHz，Q=0.707，Aup=2。令R1=R2，可得：R1=R2=0.22519k，=0.45038k,而用R1,R2用2k的電位器調(diào)節(jié)，使得其等于0.22519k，即可基本達(dá)到設(shè)計要求。第三章 電路調(diào)試

12、及結(jié)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(shè)計好的電路進(jìn)行調(diào)試。實驗過程中，將電路按設(shè)計原理圖接好，觀察是否有波形出現(xiàn)并與仿真結(jié)果波形圖進(jìn)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(jié)果與分析 3.2.1仿真結(jié)果圖 當(dāng)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3.4無限增益多路負(fù)反饋濾波器輸出信號當(dāng)函數(shù)信號發(fā)生源輸入信號

13、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(fù)反饋濾波器輸出信號當(dāng)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3.7 壓控二階濾波器輸出信號 圖3.8無限增益多路負(fù)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 Av 1 10 20 2 2 10 14 1.4 3 10 8 0.8 表3-2 無限增益多路負(fù)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 Av 1 10 2

14、0 2 2 10 14 1.4 3 10 8 0.83.2.3實驗結(jié)果分析 在上述的二階低通濾波電路實驗中，當(dāng)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(dāng)輸入的頻率是1kHz，其波形放大倍數(shù)為2。當(dāng)輸入信號頻率為2kHz時，輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系是1.4倍。當(dāng)輸入信號頻率為3kHz時，輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系是0.8倍.即當(dāng)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0。濾波器的濾波效果已經(jīng)達(dá)到，截至頻率是2kHz。 第四章 實驗結(jié)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(dǎo)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2k的電位器，便于在適當(dāng)范圍內(nèi)對波形進(jìn)行調(diào)試，從而得到正確的截止頻率，使得所設(shè)計的濾波器性能更佳。在設(shè)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。將兩個方案電路焊于芯片的