有源低通濾波器的設(shè)計(jì)

1、信號(hào)與線性系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目有源低通濾波器的設(shè)計(jì)院系電子信息工程學(xué)院年級(jí)2013級(jí)專業(yè)通信工程日期2015年6月摘要用一段話，簡(jiǎn)要描述本次課程設(shè)計(jì)報(bào)告本次課程設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔明了的方法和語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)二階低通濾波器的設(shè)計(jì)，用Mulitisim仿真軟件實(shí)現(xiàn)。AbstractTranslate in English.This course is designed to clear and concise way and language second-order low-pass filter design, with Mulitisim simulation software.關(guān)鍵詞： 濾波器 獨(dú)立設(shè)計(jì) 仿真

2、Keywords: Filter Independent design Simulation一、 設(shè)計(jì)目的和要求1、設(shè)計(jì)仿真出一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的有源低通濾波器，通頻帶自定義，放大倍數(shù)約為1.5倍。2、運(yùn)算放大器由直流穩(wěn)壓電源供電。3、測(cè)量設(shè)計(jì)的有源低通濾波器的幅頻特性。二、.設(shè)計(jì)原理1.濾波器的介紹濾波器是一種能使有用信號(hào)通過(guò)，濾除信號(hào)中的無(wú)用頻率，即抑制無(wú)用信號(hào)的電子裝置。有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個(gè)通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實(shí)際濾波器不能達(dá)到理想要求。濾波器

3、的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成。對(duì)于n為偶數(shù)的高階濾波器。2.低通濾波器的介紹低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。二階有源濾波器是一種信號(hào)檢測(cè)及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路,也是高階慮波器的基本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無(wú)限增益多路反饋型和雙二次型。本次課程設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型設(shè)計(jì)課題。3.有源低通濾波器的運(yùn)放。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)包括5個(gè)，開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比C

4、MRR。（開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。差模輸入電阻要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。共模抑制比放映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。）4. 電路原理設(shè)計(jì)有源低通二階濾波器，其電路從集成運(yùn)放輸出到同相輸入間引入一個(gè)負(fù)反饋，該反饋使改濾波器只允許低頻端的信號(hào)通過(guò)，實(shí)現(xiàn)低通濾波。用查表法設(shè)計(jì)，已知電路響應(yīng)特性、形式、類型及階數(shù)、濾波器性能參數(shù)，再根據(jù)截止頻率，選定電容標(biāo)稱值，查表求出相應(yīng)電容值及電阻值，通

5、過(guò)計(jì)算得到設(shè)計(jì)值以確定電路參數(shù)。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)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為： 令 稱為通帶增益 稱為等效品質(zhì)因數(shù) 稱為特征角頻率 則上式為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式注： 濾波電路才能穩(wěn)定工作。二、 設(shè)計(jì)內(nèi)

6、容1. 方案選擇 用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場(chǎng)屏蔽、損耗、體積和重量過(guò)大等缺點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器的增益和輸入電阻高，輸入電阻低，所以能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用 有源濾波器的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)所給定的指標(biāo)要求，確定濾波器的階數(shù)n，選擇具體的電路形式，算出電路中各元件的具體數(shù)值，安裝電路和調(diào)試，使設(shè)計(jì)的濾波器滿足指標(biāo)要求，具體步驟如下：（1） 根據(jù)阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數(shù)n。（2） 選擇具體的電路形式。（3）根據(jù)電路的傳遞函數(shù)和歸一化濾波器傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式，建立起系數(shù)的方程組。（4）解方程組求出電路中

7、元件的具體數(shù)值。（5）安裝電路并進(jìn)行調(diào)試，使電路的性能滿足指標(biāo)要求。 2.設(shè)計(jì)流程圖總體方案確定修改結(jié)構(gòu)參數(shù)單元電路設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算修改電路參數(shù)元器件選擇計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)N性能滿足要求總體電路圖繪制3. 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù) RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)，因受運(yùn)算放大器帶寬限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器.1.濾波器的傳輸函數(shù) 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)低通Au電壓增益低通濾波器的截止角頻率2.元件參數(shù)的計(jì)算 二階低通濾波

8、器性能參數(shù)表達(dá)式為C2/（CC1RR1） (2.2.1.1)Q=0.707C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (2.2.1.2)AV=1+R4/R3 (2.2.1.3)3. 二階低通濾波器 MultiSim 仿真電路圖4.MultiSim 仿真分析分析結(jié)果圖四、設(shè)計(jì)結(jié)果在仿真中，放大倍數(shù)大約在1.2倍，與原先設(shè)計(jì)的1.5倍有較大的誤差，可能與元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)誤差太大有關(guān)，需要設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)的參數(shù)。波形很穩(wěn)定，而且誤差均在可控范圍之內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了低通濾波器的功能。但是仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)。此外特性測(cè)量中選擇“Magnitude”;Horizontal和Vertical坐標(biāo)類型都

9、選擇“Log”。如果幅頻曲線的水平線沒(méi)出現(xiàn)，可能是Vertical坐標(biāo)范圍中的終點(diǎn)F沒(méi)調(diào)到合適位置，也可能是參數(shù)沒(méi)選擇好，可適當(dāng)調(diào)整。五、小結(jié)在課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了許多在課堂上沒(méi)學(xué)到的東西，通過(guò)去圖書(shū)館查找資料，根據(jù)不同的書(shū)籍了解到設(shè)計(jì)有源低通濾波電路，加強(qiáng)了對(duì)二階低通濾波電路的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)元件的選擇原則和計(jì)算有了基本的了解，鍛煉了動(dòng)手能力，提高了對(duì)電路的分析能力，為以后實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下了初步基礎(chǔ)。通過(guò)此次的課設(shè)，我學(xué)到了很多知識(shí)，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學(xué)的體制束縛，在論文的寫(xiě)作過(guò)程中，通過(guò)查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動(dòng)手能力。并且由原先的被動(dòng)的接受知識(shí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)的尋求知識(shí)，這可以說(shuō)是

10、學(xué)習(xí)方法上的一個(gè)很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會(huì)記住很多的書(shū)本知識(shí)，但是通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了如何將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會(huì)了怎么更好的處理知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的問(wèn)題。在論文的寫(xiě)作過(guò)程中也學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問(wèn)要一絲不茍，對(duì)于出現(xiàn)的任何問(wèn)題和偏差都不要輕視，要通過(guò)正確的途徑去解決，在做事情的過(guò)程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以找到思路去解決問(wèn)題的。在工作中要學(xué)會(huì)與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽(tīng)取別人的意見(jiàn)，這樣做起事情來(lái)就可以事倍功半。此外，我還熟悉了Multisim軟件的應(yīng)用。用Multisim進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步加深了在設(shè)計(jì)有源濾波器的過(guò)程中要應(yīng)對(duì)和解決的問(wèn)題，學(xué)習(xí)并了解了有源濾波器的調(diào)試方法及幅頻特性的測(cè)量。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，在查找資料的過(guò)程中我涉獵到很多課外知識(shí)，明白自己所學(xué)的僅僅是一些片面的，還有很多東西需要去發(fā)現(xiàn)和了解。在今后的學(xué)習(xí)中一定要重