二階低通濾波器

1、欽州學(xué)院模擬電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告院系機(jī)械與船系海洋工程學(xué)院專業(yè)過程控制自動(dòng)化學(xué)生班級(jí)2013級(jí)133班姓名劉良新學(xué)號(hào)1305402313指導(dǎo)教師單位欽州學(xué)院指導(dǎo)教師姓名張曉培指導(dǎo)教師職稱2016年10月欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)二階低通濾波器自動(dòng)化專業(yè)2013級(jí)劉良新指導(dǎo)教師張曉培摘要：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(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限增益多路反饋。采用集成運(yùn)放構(gòu)成的R

2、C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proteus仿真軟件對(duì)壓控電壓源型二階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)鍵詞：二階低通濾波器，截止頻率，電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的：(1)進(jìn)一步掌握模擬電子技術(shù)課程所學(xué)的理論知識(shí)，重點(diǎn)復(fù)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)需要的知識(shí)點(diǎn)。(2) 了解濾波器的工作原理，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會(huì)使用其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。(3) 了解并熟悉電路設(shè)計(jì)的基本思想和方法。目錄前言2第一章課程設(shè)計(jì)要求

3、33.1 設(shè)計(jì)要求3第二章系統(tǒng)組成及工作原理22.1 有源二階壓控濾波器22.2 無限增益多路反饋有源濾波器4第三章電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇53.1 二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算53.2 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6第四章電路組裝及調(diào)試64.1 壓控電壓源二階低通濾波電路64.2 無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器9第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)論115.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理115.2 設(shè)計(jì)體會(huì)11參考文獻(xiàn)12附錄一芯片介紹：12附錄二元件清單13附錄三實(shí)物圖13劉良新二階低通濾波器當(dāng)今時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)在各個(gè)近代學(xué)科門類和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中占有不可或缺的核心地位。同時(shí)

4、在國(guó)家的事業(yè)中發(fā)揮了重大作用，只有科技才能使一個(gè)國(guó)家變得真正強(qiáng)大。作為一名大學(xué)生不僅僅要努力學(xué)習(xí)理論知識(shí)，還要把理論運(yùn)用到實(shí)踐中去，做到學(xué)以致用。低通濾波器的使用非常廣泛。該種濾波器只讓規(guī)定的低頻率通過，而且電路性能穩(wěn)定，增益易調(diào)節(jié)。利用這一特點(diǎn)不僅可以通過有用信號(hào)還可以抑制無用信號(hào)。工程上常常用低通濾波器作信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾。例如：無線電發(fā)射機(jī)利用低通濾波器阻塞可能引起與其它通信發(fā)生干擾的諧波發(fā)射；固體屏障也是一個(gè)聲波的濾波器，當(dāng)一個(gè)房間播放音樂時(shí)很容易聽到低音，但高音被濾掉了。我國(guó)現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率雖然基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。但從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無源

5、濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。我國(guó)電子產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍是一個(gè)問題。欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)第一章課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1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)組成及工作原理2.1有源二階壓控濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示Ri同相比例放大電路圖2.1二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)放同劉良新二階低通濾波器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f>>f0時(shí)(f0為截止頻率)，電路的每級(jí)RC電路的相移趨

6、于-90o,兩級(jí)RC電路的移相到-180o,電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，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。具特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：.Vo(s)_AvFA(s)-2(21)Vi(s)1(3-AVF)sCR(sCR)2令A(yù)0=Avf稱為通帶增益(2-2)1Q=稱為等效品質(zhì)因數(shù)(2-3)3-A/F則A(s)=1稱為特征角頻率RC隈；(2-4)(2-5)注當(dāng)3-A/fA。，即Af<3時(shí)濾波電路才能穩(wěn)定工作。2.2無限增益

7、多路反饋有源濾波器基本形式圖2感圖2.2無限增益多路反饋有源濾波基礎(chǔ)電路在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號(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。欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)Au(s)C1c2RR2111ts-R2R3C1C2R

8、2R3入)=Auo21.SlSl1Q(2-6)(2-7)s其中：Sl=S,Q為品質(zhì)因數(shù)。-c第三章電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇3.1二階壓控低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算=1-川)QRGR2G"代4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(3-1)R1:R2=1,取R1=R2=10K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R3=600q,R4=1000q.本次課設(shè)電路中用1k的電位器調(diào)節(jié)的到600代替。仿真電路圖如下所示：圖3.1.1壓控電壓源二階低通濾波劉良新二階低通濾波器3.2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):Auo(3-2)濾

9、波器的截止角頻率:,R2R3C1C2=2-：fcc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(3-3)C3=C4WJ可以取C3=C4=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f0=2KHz,Q=0.707,令R5=200,R7=10g,R6=400Q，而實(shí)踐中，電阻測(cè)量值與標(biāo)稱值有較大誤差，本電路中R5,R7用1K的電位器調(diào)節(jié)得到，使得其等于200和100a即可基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其仿真電路圖如下圖3.2.1無限增益多路反饋低通濾波電路第四章電路組裝及調(diào)試4.1壓控電壓源二階低通濾波電路R&1+'O圖4.1.1壓控有源二階低通

10、濾波基礎(chǔ)電路欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)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。當(dāng)f=lKHZ,f=2KHZ,f=4KHZ時(shí)得仿真圖如下DigitalOscilloscopeRantrsRanaBWarveformChannelCChannelBChannelD"1VSMSignalGeneratorPositionGNDAju!o|One-ShotCursoFE|SourceBCDPosidonGNDoff|lovediwsr1AmplitudePoaition_HLDCGNDOFFIrwBft.|LevelFrequencyPdanly67L總

11、陽fSouFCSBCDPosilionPosidonDCGNDOFFliwedChannelALOOK500m圖4.1.2f=1KHZ時(shí)仿真圖劉良新二階低通濾波器PllllDnChannelBVSMSignalGeneratorSource8CDSoiifca口rw=Sh口ECurwrtAmplrtLriJ«Potanly、例的eHhX的PcKrtionDigitalOscilloscopeChannelCChannelDIman圖4.1.3f=2KHZ時(shí)仿真圖DigitalOscilloscope圖4.1.4f=4KHZ時(shí)仿真圖欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)4.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾

12、波器當(dāng)輸入的頻率是1000Hz,2000HZ,4000HZ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，1.3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2IrFrtuiACChannelCCliannelDDigital。標(biāo)ill?；稹eLevelSourceAjlt&cOnt'Shc*GNOOFFIfliVBrL.JWavMotePmhcinPtMMAH.-ACiPoMKinRoiiilQn圖4.2.1f=1KHZ時(shí)仿真圖劉良新二階低通濾波器DigitalOscilloscopeClhiA

13、inelCL«v«lPoMionIn幅日nllnvertSourcePosiiiDnIwverlInvertVSMSignalGEnc己tor&門gLe所WsvefofmFreq&jcncyAmplrtdeAuloGhe-Shot500nl圖4.2.2f=2KHZ時(shí)仿真圖DigitalOscilloscopeChann&lBChariKielDChdMC4/Centre10件1|mV“5|mVLe-rfw欽州學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)圖4.2.3f=4KHZ時(shí)仿真圖第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)論5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析表5.1.1壓控電壓源二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f/Hz124

14、輸入/V0.50.50.5輸出/V10.70.4理論上當(dāng)輸入電壓0.5v,f<2KHZ時(shí)輸出為輸入的2倍即1v,f=2KHZ時(shí)輸出約為輸入的1.4倍即0.7v,f>2KHZ時(shí)輸出減小逐漸趨于0。表5.1.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f/Hz124輸入/V0.50.50.5輸出/V10.80.3理論上當(dāng)輸入電壓0.5v,f<2KHZ時(shí)輸出為輸入的2倍即1v,f=2KHZ時(shí)輸出約為輸入的1.3倍即0.8v,f>2KHZ時(shí)輸出減小逐漸趨于0。誤差分析：由于元件標(biāo)稱值與實(shí)際值有誤差，加之儀器本身的誤差，在焊接過程中電烙鐵溫度很高使得整塊電路板很燙可能會(huì)影響各元件的

15、性能從而帶來一定誤差示波器時(shí)由于導(dǎo)線接觸不良容易產(chǎn)生干擾?？偟膩碚f在誤差允許之內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)是成功的。5.1設(shè)計(jì)體會(huì)在拿到題目之初我們進(jìn)行了細(xì)致的討論，進(jìn)行了分工合作，每個(gè)組員都參與其中，而我主要負(fù)責(zé)的是有關(guān)電路的設(shè)計(jì)仿真以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，參照課程設(shè)計(jì)的要求，查閱了諸多相關(guān)資料，在小組內(nèi)部進(jìn)行討論分析并敲定方案，在計(jì)算數(shù)據(jù)的時(shí)候，因?yàn)閷?duì)一下公式的理解不夠透徹，導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)，最后多加查閱相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)。才11劉良新二階低通濾波器計(jì)算正確，并成功的將實(shí)驗(yàn)仿真出來，我們立即購(gòu)買材料，然后進(jìn)行作品的制作，以及最后的調(diào)試，作品大家一起努力做了出來，雖然遇到了一些困難，但經(jīng)過我們的努力最后都克服了。1王港元.電工電子實(shí)踐指導(dǎo).江西.江西科學(xué)技術(shù)出版社，20002康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京.高等教育出版社，20053童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京.高等教育出版社，20084彭介華.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京.高等教育出版社，2003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)、