專題講座資料（2021-2022年）二階低通濾波器的設(shè)計模電課設(shè)報告要點

1、課程設(shè)計說明書課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱：課程設(shè)計名稱： 模擬電路課程設(shè)計模擬電路課程設(shè)計 課程設(shè)計題目：課程設(shè)計題目： 二階低通濾波器的設(shè)計二階低通濾波器的設(shè)計 學(xué)學(xué) 院院 名名 稱：稱： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 專業(yè)：專業(yè)： 通信工程通信工程 班級：班級： 學(xué)號：學(xué)號： 姓名：姓名： 評分：評分： 教師：教師： 2013 年年 03 月月 06 日日 模擬電路 課課程程設(shè)設(shè)計計任任務(wù)務(wù)書書20122013 學(xué)年第學(xué)年第 2 學(xué)期學(xué)期第第 1 周周 3 周周 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

2、結(jié)”、 “學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。題目題目二階低通濾波器的設(shè)計二階低通濾波器的設(shè)計內(nèi)容及要求內(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；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； 截止頻率截止頻率； 增益增益；注：可使用實驗室電源注：可使用實驗室電源。進度安排進度安排第第 1 周：查閱資料，到機房學(xué)習(xí)仿真軟件，確定方案，完成原理圖設(shè)計及仿真；周：查閱資料，到機房學(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；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；第第 3 周：檢查設(shè)

3、計結(jié)果、撰寫課設(shè)報告。周：檢查設(shè)計結(jié)果、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2013 年 2 月 25 日任務(wù)完成2013 年 3 月 6 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 摘要摘要有源濾波器是由工作在線性區(qū)的集成運放和 RC 網(wǎng)絡(luò)組成，實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分。本次實驗根據(jù)實際要求設(shè)計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路和無限增益多路反饋二階有源低通濾波電路，用 LM324 系列芯片進行工作，內(nèi)由四個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償運算放大器組成，

4、采用仿真軟件 Multisim12.0，對壓控電壓源型二階有源低通濾波電路和無限增益多路反饋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(shè)計。 關(guān)鍵字：LM324，低通，濾波目錄目錄前言前言.1第一章第一章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇系統(tǒng)設(shè)計方案選擇.21.1 總方案設(shè)計.21.2 子框圖的作用.21.3 方案選擇.3第二章第二章 系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理.42.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器.42.2 無限增益多路反饋二階有源低通濾波器.5第三章第三章 單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇.63.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器設(shè)計及參數(shù)計算.6

5、3.2 無限增益多路反饋二階有源低通濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算.6第四章第四章 電路組裝及調(diào)試電路組裝及調(diào)試.84.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器電路.84.1.1 調(diào)節(jié)方法.84.1.2 理論數(shù)據(jù).84.1.3 實際測試數(shù)據(jù).84.1.4 結(jié)果分析.84.2 無限增益多路反饋二階有源低通濾波器電路.94.2.1 調(diào)節(jié)方法.94.2.2 理論數(shù)據(jù).94.2.3 實際測試數(shù)據(jù).94.2.4 結(jié)果分析.104.3 實物圖.10第五章第五章 總結(jié)總結(jié).11參考文獻參考文獻.120前言前言早先的濾波器是由電器，電容和電阻構(gòu)成的無源電路，然而電感的使用帶來了許多問題：第一，電感的損耗比電容大得多，因而其品

6、質(zhì)因數(shù)（定義,LQ=/LLQL r為電感的損耗電阻）低于 1000，而電容的品質(zhì)因數(shù) (定義,為電LrCQ=/CCQC gCg容的損耗電導(dǎo))可高達 10000，工作頻率越低，就越??；第二，低頻工作時的電感LQ通常都要用鐵磁材料為芯，從而造成其特性的非線性，并由此產(chǎn)生不需要的信號諧波；第三，電感會發(fā)射和接受電磁波，從而把雜質(zhì)干擾引進電路，造成不良后果；第四，電感的體積，重量和成本都偏高，工作頻率越低，這些缺點便越突出。用電阻代替電感，可消除上述問題，但 RC 濾波器的性能不如 LC 濾波器好，并且電阻還會是信號能量受損。將具有放大作用的運算放大器與 RC 電路結(jié)合起來組成的有源濾波器，不但可彌補

7、由電阻造成的能量損失，而且可通過反饋使濾波器的性能提高。更可喜的是，由于舍棄了電感，使整個電路的體積，重量大大減小，更便于實現(xiàn)集成化。有源濾波器的缺點是：目前的工作頻率還不夠高，對溫度等外部因素變化的敏感度還不夠低，而且不能像無源濾波器哪樣做成浮動的，可以相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些缺點將逐步被人們所克服。按通過信號的頻段可將濾波器分為五種：低通濾波器（LPF） ；高通濾波器（HPF） ；帶通濾波器（BPF） ；帶阻濾波器（BEF） ；全通濾波器（APF） 。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。二階

8、低通濾波器可用壓控電壓源和無限增益多路反饋。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的級聯(lián)。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。1第一章第一章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇系統(tǒng)設(shè)計方案選擇1.1 總方案設(shè)計總方案設(shè)計RC 網(wǎng)絡(luò)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)圖 1.1 RC 有源濾波總框圖1.2 子框圖的作用子框圖的作用1. RC 網(wǎng)絡(luò)的作用網(wǎng)絡(luò)的作用圖 1.2 RC 電路在電路中 RC 網(wǎng)絡(luò)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

9、的作用，通常主要由電阻和電容組成。2. 放大器的作用放大器的作用圖 1.3 同相放大電路2電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益Error! No bookmark name 211VRAR given.，同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大器。3. 反饋網(wǎng)絡(luò)的作用反饋網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出電量（電壓或電流）的一部分或全部通過通過反饋網(wǎng)絡(luò)，用一定的方式送回到輸入回路，以影響輸入電量（電壓或電流） 。1.3 方案選擇方案選擇1. 濾波器的選擇濾波器的選擇一階濾波器電路最簡單，但外帶傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多路反饋濾波器的特性對參數(shù)變化

10、比較敏感，在這點上它不如壓控電壓濾波器。2. 級數(shù)的選擇級數(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. 元器件的選擇元器件的選擇一般設(shè)計濾波器時都要給定截止頻率 fc（）帶內(nèi)增益，以及品質(zhì)因數(shù)CVAQ（二階低通或高通一般為 0.707） 。在設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值得元件數(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，

11、電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按 表 1.1 初選電容值。表 1.1 濾波器工作頻率與濾波器電容取值的對應(yīng)關(guān)系f/Hz100101101102102103103104104105105106c/pF1061071051061041051031041021031011023第二章第二章 系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理2.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器壓控電壓源二階有源低通濾波器壓控電壓源二階有源低通濾波器基礎(chǔ)電路壓控電壓源二階有源低通濾波器基礎(chǔ)電路 如圖 2.1 所示圖 2.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器基礎(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

12、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(dāng)信號頻率 ffo時（fo為截止頻率） ，電路的每級 RC 電路的相移趨于-90，兩級 RC 電路的移相到-180，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： 2i(s)(s)(s)1 (3)s)(s)OVFVFVAAVACRCR（2.1）通帶增益： oVFAA（2.2）等效品質(zhì)因素： 13VFQA4（2

13、.3）特征角頻率： 1CRC（2.4）則 2o22ni(s)(s)(s)ssOCCVAAVQ（2.5）注：當(dāng)，即時，濾波電路才能穩(wěn)定工作。30VFA3VFA2.2 無限增益多路反饋二階有源低通濾波器無限增益多路反饋二階有源低通濾波器無限增益多路反饋二階有源低通濾波器基本形式無限增益多路反饋二階有源低通濾波器基本形式 如圖 2.2 所示圖 2 2 無線增益多路反饋二階有緣低通濾波器基礎(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，Au（p）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

14、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=fo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。1212u2112312121(s)11111s()s+C C R RACRRRC C R R5 （2.6） uou2(s )1ss +1LLLAAQ（2.7）注：，Q 為品質(zhì)因數(shù)ss =LC第三章第三章 單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇3.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器設(shè)計及參數(shù)計算壓控電壓源二階有源低通濾波

15、器設(shè)計及參數(shù)計算電路圖 如圖 2.1 所示由同相比例放大電路不同 Q 值下的幅頻響應(yīng)得知： 0.707Q （3.1）通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： 4312VRAR （3.2）濾波器的截止角頻率： 3121212 f210CCC C R R（3.3） 111222111(1)CVAQC RC RC R（3.4）根據(jù)上述公式可得：,可取431RR341kRR由 表 1.1 可取，可算出120.1CCF6電阻可由電位器代替1596.58R 2k電阻，可取21.06255kR 1k基本達到設(shè)計要求。3.2 無限增益多路反饋二階有源低通濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算無限增益多路反饋二階有源低通濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算電

16、路圖 如圖 2.2 所示通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： 212VRAR （3.5）濾波器的截止角頻率： 312121210CC C R R（3.6）根據(jù)上述公式可得：由 表 1.1 可取120.1CCF有中心頻率計算公式、 （3.5） 、以及品質(zhì)因數(shù)計算公式可得：取 fC=2kHz，Q=0.707，AV=2 求得：，R1可由電位器代替，R2由電阻代替，取12225.19RR2k2403450.38R 可由 6 個串并聯(lián)代替基本達到設(shè)計要求。4501007第四章第四章 電路組裝及調(diào)試電路組裝及調(diào)試4.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器電路壓控電壓源二階有源低通濾波器電路4.1.1 調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)方法當(dāng)電路接

17、入信號時，輸出函數(shù)與理論不符時，調(diào)節(jié) R1 電位器，使電路的截止頻率為 2kHz 時，調(diào)解成功。4.1.2 理論數(shù)據(jù)理論數(shù)據(jù)當(dāng)輸入的信號頻率小于截止頻率 2000Hz，其電路的增益為 2。4.1.3 實際測試數(shù)據(jù)實際測試數(shù)據(jù)表 4.1 壓控電壓源電路實際數(shù)據(jù)輸入頻率輸出電壓1kHz20V2kHz14V3kHz8V4kHz6V輸入電壓10V6kHz4V4.1.4 結(jié)果分析結(jié)果分析實驗截止頻率為 2kHz，當(dāng)輸入信號頻率低于 2kHz 時，電路增益基本為 2；當(dāng)輸入信號頻率高于 2kHz，電路截止信號。基本符合實驗要求。仿真電路圖 如圖 4.14.4 所示8 圖 4.1 壓控電壓源二階低通濾波器

18、圖 4.2 輸入信號頻率為 1kHz 圖 4.3 輸入信號頻率為 2kHz 圖 4.4 輸入信號頻率為 3kHz4.2 無限增益多路反饋二階有源低通濾波器電路無限增益多路反饋二階有源低通濾波器電路4.2.1 調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)方法當(dāng)電路接入信號時，輸出函數(shù)與理論不符時，調(diào)節(jié) R1 電位器，使電路的截止頻率為 2kHz 時，調(diào)解成功。4.2.2 理論數(shù)據(jù)理論數(shù)據(jù)當(dāng)輸入信號的頻率是 1kHz,2kHz,3kHz 輸出和輸入的倍數(shù)關(guān)系分別是 2 倍，1.4 倍，然后截止，趨于 0。4.2.3 實際測試數(shù)據(jù)實際測試數(shù)據(jù)表 4.2 無線增益多路反饋電路實際數(shù)據(jù)輸入頻率輸出電壓1kHz20V2kHz14V輸入電壓10V3kHz7V94kHz4V6kHz2V4.2.4 結(jié)果分析結(jié)果分析實驗截止頻率為 2kHz，當(dāng)輸入信號頻率為 1kHz 時，電路增益為