濾波器的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)論文

1、 專業(yè)英語(yǔ)課程設(shè)計(jì)題 目： 二階有源低通濾波器 院 （系）： 信工學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 李雪苗 學(xué) 號(hào)： 9100701331 指導(dǎo)教師： 李欣雨 20 12 年 11 月 20 日 第 1 頁(yè) 共 10 頁(yè)摘 要主要利用了系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)、反饋及電路仿真手段設(shè)計(jì)有源二階濾波器簡(jiǎn)便方法。給出了電路參數(shù)選取的技巧。對(duì)反饋電路的接入點(diǎn)選擇；系統(tǒng)傳遞函數(shù)的計(jì)算與驗(yàn)證都給出了分析，仿真實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)調(diào)試可變電阻值，可以得到性能優(yōu)良的二階濾波器。 關(guān)鍵詞：有源濾波器、傳遞函數(shù)、幅頻特性 Abstract：Two-pole active filter is designed by the su

2、bsystems cascade connection and feedback. The circuit is also simulate . How to select the circuit parameters and the connect point of the reactive circuit is introduced in this paper . The transfer function of the system is calculated and verified . Its proved that two-pole active filter with excel

3、lent performance can be acquired by adjusting the rheostat. Key words： active filter ; transfer function; amplitude-frequency characteristic. 第 2 頁(yè) 共10 頁(yè)目 錄引言 41 原理分析，公式推導(dǎo) 41.1 二階低通濾波器原型原理圖51.2 傳輸函數(shù)計(jì)算 51.3 阻值、容值計(jì)算 62 元器件選擇 63 Multisim仿真原理圖及仿真結(jié)果63.1 仿真原件圖63.2 仿真結(jié)果73.2.1時(shí)域仿真73.2.2頻域仿真74 測(cè)試結(jié)果與分析 85 結(jié)論

4、9參考文獻(xiàn) 10附錄 10 第 3 頁(yè) 共10頁(yè)引言 濾波器的作用是消除電路中某些不必要的信號(hào)并保留有用的信號(hào)，在信號(hào)處理方面具有非常重要的作用。濾波器能使所有特定頻段的信號(hào)能夠順利通過(guò)，而對(duì)其它頻段的信號(hào)起衰減作用。因此，濾波器被廣泛地應(yīng)用在通信和信號(hào)處理等領(lǐng)域。 濾波器的各類繁多，按照幅頻特性的不同，一般分為低通濾波器（Low Pass Filter）、高通濾波器（Hight Pass Filter）、帶通濾波器（Band Pass Filter）、全通濾波器（All Pass Filter）、帶阻濾波器（Band Elimination Filter）等幾類；按照器件的不同，分為無(wú)源濾波

5、器、有源濾波器和晶體濾波器等幾種。無(wú)源濾波器是指由R、L、C等無(wú)源器件所構(gòu)成的濾波器電路；有源濾波器是指由放大電路及RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路。 對(duì)于有源濾波器，通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；但是，其通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。一般可以按照有源濾波器傳輸函數(shù)分母中S的最高指數(shù)分為一階、二階和高階濾波器。濾波器的階數(shù)是指在濾波器的傳遞函數(shù)中有幾

6、個(gè)極點(diǎn).階數(shù)同時(shí)也決定了轉(zhuǎn)折區(qū)的下降速度，一般每增加一階(一個(gè)極點(diǎn))，就會(huì)增加-20dBDec(-20dB每十倍頻程)。1、原理分析，公式推導(dǎo) 一階有源濾波器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其幅頻特性衰減緩慢，因此，一階有源濾波器的濾波特性與理想的低通濾波特性的差距很大，選擇性較差。為了使濾波器的濾波特性更接近理想情況，常常采用二階的濾波器。常用的二階低通濾波器是在一階低通濾波器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，即將RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)由一節(jié)改為兩節(jié)，同時(shí)將第一節(jié)RC電路的電容不接地而接在運(yùn)放輸出端，引入反饋，以改善附近的幅頻特性，在高頻段，衰減斜率的絕對(duì)值比一階低通濾波器增大了一倍，為-40dB/十倍頻程。在電路中，為計(jì)算方便，令R

7、C網(wǎng)絡(luò)中的電阻取相同的值，再根據(jù)與頻率的關(guān)系計(jì)算出電容的值。低通濾波器的幅頻特性為：其幅頻特性如圖所示： 第 4頁(yè) 共 10 頁(yè)1.1 二階低通濾波器原型原理圖 常用的二階低通濾波器是在一階濾波器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，即將RC無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)由一節(jié)改為兩節(jié)，同時(shí)將第一級(jí)RC電路的電容不直接接地而接在運(yùn)放輸出端，引入反饋，以改善截止頻率附近的幅頻特性。其電路結(jié)構(gòu)圖如下：當(dāng)電路的增益為1時(shí)，此時(shí)R4與R3的取值為0，因此，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)圖可作出如下的二階有源低通濾波器的電路圖：1.2 傳輸函數(shù)計(jì)算二階低通濾波器的傳輸函數(shù)為： 第5 頁(yè) 共 10 頁(yè)其中，=，=當(dāng)時(shí)，兩邊取對(duì)數(shù)得，通過(guò)查表得到二階低通濾波器的傳

8、輸函數(shù)的分母多項(xiàng)式為。推出 Q= 。1.3 阻值、容值計(jì)算由傳函可以推出阻值和容值 C1= ,C2= 取f=5.3KHz，9 計(jì)算出C1=4.7pF,C2=2.35pF。2 元器件選擇 由于算出的阻值容值不一定是市場(chǎng)上有賣的標(biāo)稱值，因此需要實(shí)際買回元器件，然后再加以分析參數(shù)。實(shí)際買到的元件為R1=R2=9.06 ，C1=4.7pF,C2=2.2pF，運(yùn)放為741。將元件參數(shù)代入計(jì)算式中計(jì)算出的理論截止頻率為f=5.3KHz。 3 Multisim 10仿真原理圖及仿真結(jié)果3.1仿真元件圖 第 6頁(yè) 共 10 頁(yè)3.2 仿真結(jié)果3.2.1時(shí)域仿真通過(guò)模擬示波器仿真，得到的信號(hào)不存在失真現(xiàn)象，當(dāng)頻

9、率比較低里，即當(dāng)<5K里，信號(hào)的幅度變化不大；而當(dāng)繼續(xù)增大輸入信號(hào)的頻率，其輸出波形的幅度逐漸衰減，而且變化比較快，當(dāng)頻率大到一定值以后，波形已經(jīng)基本上完全衰減。3.2.2頻域仿真 第 7 頁(yè) 共 10 頁(yè)通過(guò)掃頻儀的仿真可知，該電路的幅頻特性與低通濾波器的幅頻特性一致。在低頻段的幅度幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)頻率增加到一定值以后幅度開(kāi)始變小，程一定的線性關(guān)系，斜率也比較大。當(dāng)幅度衰減3dB里的頻率為5.64KHz，仿真的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果存在一些偏差，畢竟仿真軟件也不是完全理想化的，存在一定的誤差是正常的。 5、測(cè)試結(jié)果與分析 測(cè)試時(shí)，電路的外加電源電壓為+5V和-5V，輸入一個(gè)1V的正弦波，

10、調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率，使得達(dá)到最大值，觀察信號(hào)幅度隨頻率的變化著么，記錄下特定頻率點(diǎn)下的信號(hào)幅度峰峰值。當(dāng)頻率變化使得輸出的信號(hào)幅度變化為最高幅度的倍，即，此時(shí)的頻率即為低通濾波器的截止頻率。測(cè)試電路如果沒(méi)有信號(hào)輸出，一般是由于以下幾個(gè)原因?qū)е拢弘娫?、信?hào)源是否開(kāi)啟；接線是否正確；線路是否好的；電路是否存在虛焊情況以及元件是否損壞等原因。在排除了這些問(wèn)題后，最終測(cè)試如下：1234561.0181.0180.9760.9200.8200.70878101525400.6180.5100.3720.1700.0660.024觀察測(cè)試的數(shù)據(jù)，該電路具有低通濾波器的性能，當(dāng)頻率相對(duì)比較低時(shí)，基本上沒(méi)有太多的

11、衰減，這就是在低通濾波器的能帶范圍內(nèi)的信號(hào)；當(dāng)信號(hào)的頻率漸漸增大時(shí)，進(jìn)入到濾波器的衰減帶，信號(hào)的衰減會(huì)越來(lái)越大，而且衰減的幅度程定的線性，符合低通濾波器的幅頻特性曲線。其幅頻特性曲線圖如下： 第8頁(yè) 共10 頁(yè)由測(cè)試的結(jié)果可知道，當(dāng)=6KHz時(shí)，即在該頻率處，幅度衰減了3dB，則=6KHz。由于設(shè)計(jì)的理論指標(biāo)為=5.3KHz，因此，計(jì)算出該電路的誤差為13.2%，而實(shí)際做出的電路板測(cè)試出來(lái)的結(jié)果與設(shè)計(jì)之初的指標(biāo)存在了一定的差距。6、結(jié)論 通過(guò)這次低通濾波器的設(shè)計(jì)，對(duì)濾波器的原理有了更為深刻的了解，掌握了其基本原型、指標(biāo)設(shè)定、參數(shù)計(jì)算、元件選擇以及電路實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)中用到了multisim，作為一

12、種電路的模擬仿真軟件，能夠很好地仿真所設(shè)計(jì)電路的結(jié)果，對(duì)于設(shè)計(jì)電路有著很好的輔助作用。這種軟件對(duì)于設(shè)計(jì)與制作電路是非常有用的工具，通過(guò)這次設(shè)計(jì)電路得到了很好的掌握。要完成一個(gè)電路，需要經(jīng)過(guò)一定的流程，包括：了解原理、通過(guò)指標(biāo)計(jì)算參數(shù)、仿真測(cè)試、測(cè)試和調(diào)試的過(guò)程。在這次的設(shè)計(jì)中得到了很好的學(xué)習(xí)。實(shí)際做出來(lái)的電路板經(jīng)常測(cè)試后與理論電路會(huì)存在一定的偏差。在設(shè)計(jì)之初通過(guò)計(jì)算得到的參數(shù)在實(shí)際電路中只能作為參考選擇，要完全能滿足指標(biāo)的要求，可相應(yīng)地更改電路中元件的值的大小，通過(guò)不斷的測(cè)試才能最終滿足要求。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，很好地懂得了其設(shè)計(jì)流程及方法，為今后做設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。 第 9頁(yè) 共10 頁(yè)參考文獻(xiàn)1 岡村廸夫（日), 王玲等譯.OP放大電路設(shè)計(jì). 北京：科學(xué)出版社, 2004年9月2 黃席椿等編.濾波器綜合法設(shè)計(jì)原理. 北京：人民郵電出版社，19783 王衛(wèi)東.模擬電子電路基礎(chǔ).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20034 Sanjit