二階低通濾波器的設(shè)計(jì)

1、摘要濾波器是一種使用信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)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(wú)源濾波，有源濾波可以使幅頻特性比擬陡峭，而無(wú)源濾波設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(wú)限增益多路反應(yīng)。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)壓控電壓源型二階有源

2、低通濾波電路進(jìn)展仿真分析、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31.1 設(shè)計(jì)任務(wù)31.2 設(shè)計(jì)要求3第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇42.1 總方案設(shè)計(jì)42.2 子框圖的作用42.3 方案選擇5第三章系統(tǒng)組成及工作原理5.6.3.1 有源二階壓控濾波器3.2 無(wú)限增益多路反應(yīng)有源濾波器7.第四章單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇8.4.1 二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算8.4.2 無(wú)限增益多路反應(yīng)有源濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算9.第五章電路組裝及調(diào)試1.05.1 壓控電壓源二階低通濾波電路1.0.5.2 無(wú)限增益多路負(fù)反應(yīng)二階低

3、通濾波器1.1.第六章總結(jié)與體會(huì)錯(cuò)誤!.未定義書簽。.參考文獻(xiàn)1.3附錄一芯片介紹：1.4.附錄二元件清單1.5.附錄三實(shí)物圖1.6.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(wú)限增益多路反應(yīng)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 方案框圖圖2.1.1RC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

4、網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，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反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出信號(hào)的一局部或全部通過(guò)牧電路印象輸入端，稱為反應(yīng)，其中電路稱為反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反應(yīng)2.3 方案選擇1 .濾波器的選擇一階濾波器電路最簡(jiǎn)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(wú)限增益多環(huán)反應(yīng)型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比擬敏感，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

5、根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)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(帶增益Av,以及品質(zhì)因數(shù)Q二階低通或高通一般為0.70Z。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對(duì)應(yīng)關(guān)系f(110)H

6、z101。Hz1C2103Hz110KHz10103KHz1C2103KHzC(2010)F100.1uF0.10.01uF104103pF103102pF1C210pF第三章系統(tǒng)組成及工作原理3.1 有源二階壓控濾波器根底電品&如圖1所示加±工If圖1二階有源低通濾波根底電路它由兩節(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)反應(yīng)，在不同的頻段，反應(yīng)的極性不一樣，當(dāng)信號(hào)頻率f>>f0時(shí)f0為截止頻率，電路的每級(jí)RC電路的相移趨于-90o,兩級(jí)RC電路的移相到-1800,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

7、集成運(yùn)放同相端的反應(yīng)是負(fù)反應(yīng)，反應(yīng)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，所以該反應(yīng)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)。具特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：A(s)Vo(s)Vi(s)Avf _ 21 (3-Avf)sCR (sCR)令8AoAvf稱為通帶增益1Q稱為等效品質(zhì)因數(shù)3AVF1c稱為特征角頻率RC23.1)那么A一"一s2s2Q注當(dāng)320,即Af3時(shí)濾波電路才能穩(wěn)定工作。3.2 無(wú)限增益多路反應(yīng)有源濾波器無(wú)W幡多路負(fù)反饋二階艇虎艇路根本形式圖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)

8、電容C1在電路參數(shù)不適宜時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激震蕩。為了防止這一點(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源低通濾波電路一樣的方式，引入多路反應(yīng)，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(wú)窮大，所以該電路叫做無(wú)限增益多路反應(yīng)低通濾波電路。A(s)C1C2R1R2Au(sl)CiRR211sR3C1C2R2R3Auo2sl1sLi其中：sl-,Q為品質(zhì)因數(shù)。c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)算將上武分甘與表1歸化傳

9、遞兩數(shù)的分母多項(xiàng)式比校熊一二乃Q道帶內(nèi)的電壓放大帶奶濾波器的故止仍驪和卬二 1J.RKq3,-I八.”-=1-+。一>0g%a'相工e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R31,根據(jù)市場(chǎng)能買到的器R4件，那么可以取R4R310K，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，根本到達(dá)設(shè)計(jì)要求了。仿真電路圖如下所示：lOOnF.2 .rMAr-iTOB255ktr：R3 ：Vv10k 口圖3壓控電壓源二階低通濾波4.2無(wú)限增益多路反應(yīng)有源濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算通帶的電壓放大倍數(shù):R3Ri

10、濾波器的截止角頻率:R2R3C1C22 fc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，那么可以取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=0.707,八。Aup=2令R1=R2可得：R1=R2=0.22519K,R3=0.45038K,W用R1,R2用2K的電位器調(diào)節(jié)，使得其等于0.22519K即可根本到達(dá)設(shè)計(jì)要求。其仿真電路圖如下第五章電路組裝及調(diào)試5.1 壓控電壓源二階低通濾波電路0-1*FtU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

11、倍5.2 無(wú)限增益多路負(fù)反應(yīng)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)到達(dá)，截至頻率是2000Hz。小于2000Hz時(shí)，輸出波放大2倍。1 .童詩(shī)白華成英編？真擬電子技術(shù)根底?M高等教育20082 .介華編？電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)?M高等教育20033 .青木英彥日著周難生譯？真擬電路設(shè)計(jì)與制作?M科學(xué)19984 .王港元編？電工電子實(shí)踐指導(dǎo)?M科學(xué)技術(shù)20005 .徐發(fā)強(qiáng)等.RC二階有源濾波器白新型實(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？真擬電子技術(shù)根底與應(yīng)用實(shí)例？M.航空航天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)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】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)在較寬的電壓圍單電源工作，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圍；單電源3V30V,雙電源±1.5V±15V含相位校正回路,外圍元