二階低通濾波器設(shè)計(jì)

1、 摘要 濾波器是一種使用信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(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(jì)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(yùn)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(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EDA仿真軟件Multisim1O對(duì)壓控電壓源型二階

2、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)鍵字：二階低通濾波器，multisim仿真分析，電路設(shè)計(jì)目錄第一章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求51.1設(shè)計(jì)任務(wù)51.2設(shè)計(jì)要求5第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇52.1 總方案設(shè)計(jì)52.2子框圖的作用62.3 方案選擇6第三章 系統(tǒng)組成及工作原理73.1有源二階壓控濾波器73.2無限增益多路反饋有源濾波器9第四章 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇104.1二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算104.2無限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算11第五章 電路組裝及調(diào)試125.1壓控電壓源二階低通濾波電路125.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器13第六

3、章 總結(jié)與體會(huì)16參考文獻(xiàn)17附錄一 芯片介紹：18附錄二 元件清單19附錄三 實(shí)物圖20第一章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1、學(xué)習(xí)RC有源濾波器的設(shè)計(jì)方法；2、由濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)；3、設(shè)計(jì)二階RC有源濾波器(低通)；4、掌握有源濾波器的測(cè)試方法；5、測(cè)量有源濾波器的幅頻特性。1.2設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)電路2. 截止頻率fc=2000HZ3. 增益Av=2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇2.1 總方案設(shè)計(jì) 2.1.1方案框圖RC網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大器 圖2.1.1 RC有源濾波總框圖2.2子框圖的作用1 RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作

4、用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。2 放大器的作用 電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)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(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。3 反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 將輸出信號(hào)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。2.3 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(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。2. 級(jí)數(shù)的選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)

5、帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-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(shè)計(jì)濾波器時(shí)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(jì)時(shí)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(gè)元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?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1.1.3初選電容值。表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的

6、對(duì)應(yīng)關(guān)系f(110)Hz（10102）Hz（102103）Hz（110）KHz（10103）KHz （102103）KHzC(2010)F（100.1）uF（0.10.01）uF（104103）pF（103102）pF（10210）pF 第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1有源二階壓控濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示圖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ff0時(shí)（f0 為截止頻率），電路的每級(jí)RC 電路的相移趨于-90，兩級(jí)RC 電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的

7、相位相反，故此時(shí)通過電容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。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為： 令8 稱為通帶增益 稱為等效品質(zhì)因數(shù) 稱為特征角頻率 則-3.（1)注 濾波電路才能穩(wěn)定工作。3.2無限增益多路反饋有源濾波器基本形式圖2圖2 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

8、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(yùn)放可看成理想運(yùn)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。 其中： ，為品質(zhì)因數(shù)。 第四章 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇 4.1二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使得, 根據(jù)市場(chǎng)能買到的器件，則可以取，然后由中心頻率計(jì)算公 試可以取C1=C2=0.1uF,可以得出電阻R1=596.58k,R4=1.06255k. 可以用2k的電位器代替，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求了。仿真電路圖如下所

9、示：圖3 壓控電壓源二階低通濾波4.2無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)： 濾波器的截止角頻率： 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C1=C2，根據(jù)市場(chǎng)能買到的器件，則可以取C1= C3=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(jì)要求。其仿真電路圖如下 圖4 無限增益多路反饋低通濾波電路 第5章 電路組裝及調(diào)試5.1壓控

10、電壓源二階低通濾波電路當(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5.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器其仿真電路圖如上：當(dāng)輸入的頻率是1000HZ ，2000HZ， 30000JHZ 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，1.4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2倍。參考文獻(xiàn)1童詩白 華成英 編 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M 高等教育出版社 20082彭介華 編 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M 高等教育出版社 20033. 青木英彥（日） 著 周難生 譯 模擬電

11、路設(shè)計(jì)與制作M 科學(xué)出版社 19984. 王港元 編 電工電子實(shí)踐指導(dǎo)M 江西科學(xué)技術(shù)出版社 20005.徐發(fā)強(qiáng)等. RC二階有源濾波器的新型實(shí)驗(yàn)方法J 現(xiàn)代電子技術(shù),2008,26. 許素貞.杜群羊.吳海青 等 編 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例M.北京航空航天出版社 20047勞五一.勞佳. 編 模擬電子電路分析、設(shè)計(jì)與仿真M 清華大學(xué)出版社 20038.薛鵬騫等.頻分復(fù)用有源濾波電路的EWB仿真設(shè)計(jì)【J】遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，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)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)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1.5V15V 內(nèi)含相位校正回路, 外圍元件少消耗電流小:Icc=0.