二阶低通滤波器的设计-模电课设报告.doc

课程设计说明书课程设计名称: 模拟电路课程设计 课程设计题目： 二阶低通滤波器的设计 学 院 名 称：信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 13 年 3 月 13 日 模拟电路 课程设计任务书20 12 20 13 学年 第 2 学期第 1 周 3周 题目二阶低通滤波器的设计内容及要求分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；截止频率f=2KHz；增益AV2；注：可使用实验室电源。进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备： 2天； 2. 领元器件、制作、焊接：3天3调试： 2天4. 验收：0.5天学生姓名： 指导时间: 2.253.15指导地点：E楼311室任务下达 2.25任务完成 3.15考核方式1.评阅 2.实际操作 指导教师 系（部）主任 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。 摘要 滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。二阶低通滤波器可用压控和无限增益多路反馈。采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级联。本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，采用EDA仿真软件Multisim12对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。关键词：二阶低通滤波器，截止频率，电路设计目录前言1第一章 课程设计任务及要求21.1设计任务21.2设计要求2第二章 系统组成及工作原理32.1有源二阶压控滤波器32.2无限增益多路反馈有源滤波器4第三章 电路设计、参数计算、器件选择63.1二阶压控低通滤波器设计及参数计算63.2无限增益多路反馈有源滤波器的设计及参数计算6第四章 电路组装及调试84.1压控电压源二阶低通滤波电路84.2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器11第五章 实验结论155.1实验数据记录与处理15参考文献16附录一 芯片介绍：17附录二 元件清单18附录三 实物图19前言 当今时代，随着科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和科学技术领域中占有不可或缺的核心地位。同时在国家的事 业中发挥了重大作用，只有科技才能使一个国家变得真正强大。作为 一名大学生不仅仅要努力学习理论知识，还要把理论运用到实践中去，做到学以致用。低通滤波器的使用非常广泛。该种滤波器只让规定的低频率通过，而且电路性能稳定，增益易调节。利用这一特点不仅可以通过有用信号还可以抑制无用信号。工程上常常用低通滤波器作信号处理，数据传输和抑制干扰。例如：无线电发射机利用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射；固体屏障也是一个声波的滤波器，当一个房间播放音乐时很容易听到低音，但高音被滤掉了。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率虽然基本上满足现有各种电信设备。但从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍是一个问题。第一章 课程设计任务及要求1.1设计任务1、学习RC有源滤波器的设计方法；2、由滤波器设计指标计算电路元件参数；3、设计二阶RC有源滤波器(低通)；4、掌握有源滤波器的测试方法；5、测量有源滤波器的幅频特性。1.2设计要求1. 分别用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计电路2. 截止频率fc=2000HZ3. 增益Av=2 第二章 系统组成及工作原理2.1有源二阶压控滤波器基础电路如图1所示 图2.1 二阶有源低通滤波基础电路它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为： (2-1)令8 称为通带增益 -（2-2）称为等效品质因数 -（2-3） 称为特征角频率 -（2-4）则-(2-5)注 滤波电路才能稳定工作。2.2无限增益多路反馈有源滤波器基本形式图2 图2.2 无限增益多路反馈有源滤波基础电路在二阶压控电压源低通滤波电路中，由于输入信号加到集成运放的同相输入端，同时电容C1在电路参数不合适时会产生自激震荡。为了避免这一点，Aup取值应小于3.可以考虑将输入信号加到集成运放的反相输入端，采取和二阶压控电压源低通滤波电路相同的方式，引入多路反馈，构成反相输入的二阶低通滤波电路，这样既能提高滤波电路的性能，也能提高在f=f0附近的频率特性幅度。由于所示电路中的运放可看成理想运放，即可认为其增益无穷大，所以该电路叫做无限增益多路反馈低通滤波电路。-（2-6） -（2-7）其中： ，为品质因数。 第三章 电路设计、参数计算、器件选择 3.1二阶压控低通滤波器设计及参数计算 (3-1)所以根据上述推导公式可得：电路设计时应该使得, 取，然后由中心频率计算公试可以取C1=C2=0.1uF,可以得出电阻R1=800,R2=800. 本次课设电路中用2k的电位器调节的到800代替。仿真电路图如下所示：图3.1.1 压控电压源二阶低通滤波3.2无限增益多路反馈有源滤波器的设计及参数计算通带内的电压放大倍数： (3-2) 滤波器的截止角频率： (3-3)根据上述推导公式可得：电路设计时应该使得C1=C2，根据市场能买到的器件，则可以取C1= C3=0.1uF，然后由中心频率计算公式，电压增益公式以及品质因素的公式计算参数，依据以上三个公式，取f0=2KHz，Q=0.707，令R1=R2=200，=400,而实践中，电阻测量值与标称值有较大误差，本电路中R1 ,R2用2K的电位器调节得到，使得其等于200即可基本达到设计要求。其仿真电路图如下 图3.2.1 无限增益多路反馈低通滤波电路 第四章 电路组装及调试4.1压控电压源二阶低通滤波电路 图4.1.1 压控有源二阶低通滤波基础电路当输入的信号频率小于截止频率2000hz，其电路的增益为2.即其波形的峰峰值是两倍。当f=1KHZ，f=2KHZ，f=30kHZ时得仿真图如下 图4.1.2 f=1KHZ时仿真图 图4.1.3 f=2KHZ时仿真图 图4.1.4 f=30KHZ时仿真图4.2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器当输入的频率是1000HZ ，2000HZ， 30000JHZ 的交流电源是输出信号的波形图分别如下： 输出与输入的倍数关系分别是2倍，1.4倍 然后是截至了， 趋于0.滤波器的滤波效果已经达到， 截至频率是2000HZ。小于2000HZ时，输出波放大2倍。 图4.2.1 f=1KHZ时仿真图 图4.2.2 f=2KHZ时仿真图图4.2.3 f=30KHZ时仿真图第五章 实验结论 5.1实验数据记录与处理表5.1.1压控电压源二阶低通滤波器实验数据理论上当输入电压8v,f2KHZ时输出减小逐渐趋于0。误差分析：f=1KHZ，误差n为-2.5%，f=2KHZ，误差n为7.14%,f10KHZ已完全滤波。由于元件标称值与实际值有误差，加之仪器本身的误差，使得产生微小偏差。在误差允许之内，本次实验是成功的 表5.1.2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器实验数据理论上当输入电压8v,f2KHZ时输出减小逐渐趋于0。误差分析，当f=1KHZ时误差n=(-14+16)/-16即-12.5%，f=2KHZ时误差n=(-10+11.2)/-11.2即-10.7%，当f10KHZ时已完全滤波。由于元件标称值与实际值有误差，加之仪器本身的误差，在焊接过程中电烙铁温度很高使得整块电路板很烫可能会影响各元件的性能从而带来一定误差示波器时由于导线接触不良容易产生干扰。总的来说在误差允许之内，本次实验是成功的。参考文献1 王港元.电工电子实践指导.江西.江西科学技术出版社，20002 康华光.电子技术基础模拟部分.北京.高等教育出版社，20053 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京.高等教育出版社，20084 彭介华.电子技术实验与课程设计.北京.高等教育出版社，2003附录一 芯片介绍：产品型号：LM324N1.概述与特点LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V30V，双电源1