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二阶压控
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二阶压控电压源低通滤波器,二阶压控,电压,源低通,滤波器
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桂林电子工业学院课程设计（论文）报告用纸 第 22 页 共 22 页二阶压控电压源低通滤波器摘 要本文主要介绍了二阶压控电压源低通滤波器, 低通滤波器是一种典型的选频电路，在给定的频段内，理论上它能让信号无衰减地通过电路，这一段称为通带外的其他信号将受到很大的衰减，具有很大衰减的频段称为阻带，通带与阻带的交界频率称为截止频率，对滤波器的基本要求是：（1）通带内信号的衰减要小，阻带内信号的衰减要大，由通带过渡到阻带的衰减特性陡直上升；（2）通带内的特性阻抗要恒为常数，以便于阻抗匹配。本滤波器主要用于限制信号于一定频率内通过.主要芯片为UA741运放器.在制作过程中运用到了protel,EWB等软件,用来制作电路板和设计的仿真计算等.关键字: 低通;UA741;滤波; 截止频率；AbstractThe lowpass filter one selecting circuit frequently typical, give the frequency band definitely, in theory it make signal is it decay to have through circuit, the called outside of the bandpass other signal receive heavy decay very, very great frequency band that decays is called and hindered bringing, the bandpass and bounded frequency of hindering the area are called and closed at frequency, the basic demand of the wave filter is: (1) Bandpass decay of signal light, hinder with interior signal heavy decay , carry out the transition to from bandpass decay brought to hinder characteristic steep to rise direct; (2)It is a constant that the characteristic in the bandpass is permanent in impedance, so that impedance is matched. This article introduced the active low pass filter,This filter mainly use in the clipped wave passing in the certainfrequencyThe main chip is UA741 transports putting。Key words: Low pass;UA741;Filter;Stops；By frequency 引 言滤波器技术是现代技术中不可缺少的部分。滤波器已大量渗入现代技术中。很难想象一个稍微复杂的电子设备不使用这样或那样的滤波器。在现代通信和信号处理方面，电话，电报，电视，无线电等只不过是以滤波器作为它们的重要部件的一些例子而已低通滤波器：在低频率规定的范围内才能通过信号，利用这一性质可以滤出干扰频率的信号，留下我们所需的频率高的信号。它的用途很广泛，比较接近我们生活的有带通滤波器用于有线电视网的终端用户或单向用户处，其功能是用来屏蔽反向带宽，以避免单向用户的信号反馈，从而有效避免了网络中由于单向用户的信号反馈对整个双向网络的噪声影响，有效保证了双向网络的正常工作1 Protel设计技术Protel是Altium公司推出的电路CAD（计算机辅助设计）软件。ProtelDXP是该公司推出的最新一代板级桌面设计系统。它是第一套基于Windows环境的设计软件，全部设计工具集成于同一环境下，全面支持网上大规模协同设计，使我们设计在更复杂的、多层次的、高频率、高速度、高密度的电路时更加快捷容易。凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。1.1 Protel设计电路板的步骤Protel99 SE共包含五个模块，分别是原理图设计、PCB设计、自动布线器、原理图仿真和PLD的设计。-1.2 电气规则检查（ERC） 当我们完成了原理图的设计，需要检查其是否正确时，Protel99 SE为我们准备了可靠的电气规则检查工具，帮助我们检查是否有同一网络上放置了多个网络名称，是否有未连接的网络名称，未连接的电源、地符号，电路图号有无重复，元件标称有无重复，总线格式是否错误等。 1.3 创建网络表 网络表是连接原理图和PCB的桥梁，网络表正确与否直接影响着PCB的设计。对于复杂方案的设计文件，产生正确的网络表更是设计的关键。当我们设计好原理图，在进行了ERC电气规则检查正确无误后，就要生成网络表，为PCB布线做准备。网表生成非常容易，只要在“Design”下选取“Create Netlist”对话框，设置为那种格式的网络表。网表生成后，就可以进行PCB设计了。1.4 PCB设计1.4.1 板框导航当我们设计了原理图，生成了网表，下一步就要进行PCB设计。首先要画一个边框，我们可以借助板框导航，来画边框。在“File”下选择“New”中的“Wizards”,在选取“Printed Circuit Board Wizard”，点击“OK”即可，按照显示对话框的每一步提示，完成板框设计。1.4.2 建立PCB文件要进行PCB设计，必须有原理图，根据原理图才能画出PCB图。按照上述板框导航生成一张“IBM XT bus format”形式的印制板边框。选择PCB设计窗口下的“Design”中的“Add/Remove Library”,在对话框上选择“4 Port Serial Interface.ddb”,在“Design Explorer 99SEExamples”文件夹中选取，点取“Add”,然后“OK”关闭对话框。在左侧的导航树上，打开“4 Port Serial Interface.prj”原理图文件，选择“Design”下的“Update PCB”，点取“Apply”,“Update Design”对话框被打开，点取“Execute”选项。对话框“Confirm Component Associations”对话框将被打开，网络连接表列出，选择应用“Apply”更新PCB文件，由于Protel99SE采用同步设计，因此，不用生成网表也可以直接到PCB设计。这时，一个新的带有网络表的PCB文件将生成。1.4.3 布局设计布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。“Room”定义规则，可以将指定元件放到指定区域。Protel99 SE在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动倒板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。新增动态长度分析器。在元件移动过程中，不断地对基于连接长度的布局质量进行评估，并用绿色（强）和红色（弱）表示布局质量。1.4.4 布线设计在布线之前先要设置布线方式和布线规则。Protel99 SE有三种布线方式：忽略障碍布线（Ignore obstacle），避免障碍布线（Avoid obstacle），推挤布线（Push obstacle）。我们可以根据需要选用不同的布线方式，在“Tools”工具菜单下选择“Preferences”优选项中选择不同的布线方式。也可以使用“SHIFT+R”快捷键在三种方式之间切换。2 EWB仿真分析技术2.1 EWB的介绍随着计算机在国内的逐渐普及，在电子设计行业，EDA工具也越来越多地为广大电子设计工作者所使用，本文为大家介绍一种小巧但功能强大的模拟与数字电路混合仿真软件，它就是ELECTRONICS WORKBENCH EDA5.0软件。ELECTRONICS WORKBENCH EDA（以下简称EWB）软件是交互图像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在八十年代末推出的EDA软件，其EWB5.0于96年推出，占用硬盘空间很小，只有16M，是个模拟电路和数字电路混合仿真的EDA软件，它的仿真功能十分强大，可以几乎100地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了各种各样的电子工具，如万用表、示波器、信号发生器、逻辑分析仪等等，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易学会的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式。2.2 应用和特点EWB是Electronics Workbench的缩写，称为电子工作平台，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为计算机里的电子实验室。 其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用EWB可实现大部分硬件电路实验的功能。电子工作平台的设计试验工作区好像一块面包板，在上面可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用模拟和数字器件， 设计和试验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式，有的虚拟器件还可直观显示，如发光二极管可以发出红绿蓝光，逻辑探头像逻辑笔那样可直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以烧断，灯泡可以烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比例移动改变阻值。电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、数字万用表、双通道 1000MHz 数字存储示波器、999MIHz数字函数发生器、可直接显示电路频率响应的波特图仪、16路数字信号逻辑分析仪、16位数字信号发生器等，这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有关数据或波形。电子工作平台还具有强大的分析功能， 可进行直流工作点分析， 暂态和稳态分析，高版本的EWB还可以进行傅立叶变换分析、噪声及失真度分析、零极点和蒙特卡罗等多项分析。使用EWB对电路进行设计和实验仿真的基本步骤是：1. 用虚拟器件在工作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号；3.连接信号源等虚拟仪器； 4. 选择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。3 滤波器凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。- 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。它能够使有用信号通过且同时抑制无用信号。工程上常用作信号处理、数据传送和抑制干扰等。低通滤波器具有通低频阻高频的特点。由集成运放和R、C元件组成的有源滤波电路，具有不用电感元件、体积小、重量轻等优点。而且由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，且输出阻抗低，它构成的有源滤波电路还具有一定的电压放大和缓冲作用。3.1 滤波器介绍电视机和一些电子产品中常用的滤波器有陶瓷滤波器、声表面滤波器、陶瓷陷波器和陶瓷鉴频器等。 -3.2 有源滤波器-有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗变换器（PIC）、负阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和零子。 由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。3.3 滤波器的应用和特点有源滤波器是一种应用相当广泛的滤波器。随着集成运放的不断发展和完善，有源滤波器的应用更加广泛。实践证明，在有源滤波器中，集成运放是一个非常有用的有源电子单元。在无线技术领域中，集成运放滤波器应用相当广泛。它有如下特点。优点：1) 在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时，可以做到体积小、重量轻、成本低。2) 无需阻抗匹配。3) 可方便地制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器。4) 可得到一定的增益。5) 如果使用电位器、可变电容调整，可使滤波器的精度达到0.5%。6) 由于采用集成电路，故受机械振动、温度、湿度以及化学环境影响小。7) 不易受电磁干扰。8) 设计、计算、调试方便简单。缺点：1) 制作频率特性较陡的滤波器比较困难。2) 需使用电源，功耗可到数瓦。3) 噪声较大，通常约是几微伏到几毫伏。4) 从目前集成运放的性能来看，有源滤波器还不适用于高频范围，通常使用频率在几十千赫以下。因此，集成运放有源滤波器可广泛的用于低频、甚低频范围。一般说来，从通带性能看，有源滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）等。从通带滤波器特性看，有源滤波器可分为最大平直型（伯特沃斯型）滤波器、纹波型（契比雪夫型）滤波器、线性相位型（贝塞尔型）滤波器等。从集成运放作为有源滤波器看，有源滤波器可分为无限增益单反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、压控电源型滤波器、无限增益多态反馈电路型滤波器、负阻变换型滤波器、回转器型滤波器等。3.4 低通滤波器介绍3.4.1 低通滤波器的主要技术指标 （1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图3.01所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。 （2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同，见图3.01。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。 图3.01 LPF的幅频特性曲线 3.4.2 简单一阶低通有源滤波器 一阶低通滤波器的电路如图3.02所示，其幅频特性见图3.03，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。 图3.02 一阶LPF 图3.03 一阶LPF的幅频特性曲线 当f = 0时，电容器可视为开路，通带内的增益为 一阶低通滤波器的传递函数如下 其中,S=j 该传递函数式的样子与一节RC低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益Avp这一项。 3.4.3简单二阶低通有源滤波器 为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图3.04所示，幅频特性曲线如图3.05所示。 图3.04 二阶LPF 图3.05二阶LPF的幅频特性曲线 （1）通带增益 当f = 0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为 （2）二阶低通有源滤波器传递函数 根据图13.06可以写出 ， 通常有 ，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数 (3)通带截止频率 将s换成j，令 可得 当 时，上式分母的模 解得截止频率： 与理想的二阶波特图相比，在超过 以后，幅频特性以-40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率 之间幅频特性下降的还不够快。 3.4.4 二阶压控型低通有源滤波器 （1）二阶压控型LPF 二阶压控型低通有源滤波器如图3.06所示。其中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端。显然，C1的改接不影响通带增益。 图3.06 二阶压控型LPF 图3.07 二阶压控型LPF的幅频特性 （2）二阶压控型LPF的传递函数 对于节点N，可以列出下列方程 联立求解以上三式，可得LPF的传递函数 上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。 （3）频率响应 由传递函数可以写出频率响应的表达式 当 时，上式可以化简为 定义有源滤波器的品质因数Q值为 时的电压放大倍数的模与通带增益之比 以上两式表明，当 时，Q1，在 处的电压增益将大于 ，幅频特性在 处将抬高，具体请参阅图3.07。当 3时，Q=，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。 3.4.5 二阶反相型低通有源滤波器 二阶反相型LPF如图3.08所示，它是在反相比例积分器的输入端再加一节RC低通电路而构成。二阶反相型LPF的改进电路如图3.09所示。 图3.08 反相型二阶LPF 图3.09 多路反馈反相型二阶LPF 由图13.11可知 对于节点N，可以列出下列方程： 传递函数为： 频率响应为 ： 以上各式中 ，若 R1=R2=Rf=R, C1=C2=C， 则 Avp = 1，f0=1/(2RC)，Q=1/(3-AvP)=1/34 UA741概述 358是由两个独立的、高增益、内置频率补偿的运算放大器组成的集成电路。它专为获得电压范围、单电源供电的运算放大器设计。也可以双电源供电：因为电源电流消耗低，可以不依赖于电源电压的大小。主要应用在换能放大器、直流增益模块和使用通用运算放大器的电路。例如，它能直接使用数字系统的标准+5V电源电压，将容易达到所需要的功能而无需额外的正负15V电源电压支持。4.1 UA741的功能框图：图2-1 ua741管角排列图4.2 UA741的特点管脚图及工作参数：集成运算放大器A741的管脚图见上图所示。其主要极限参数( 最大额定值 ) 如下。最大电源电压： 18V最大差分电压 ( 同相端与反向端之间的输入电压 ): 30V最大输入电压: 15V允许工作温度:0 +70 允许功耗:IIIW最大输出电压: 比电源电压略低例 : 当电源电压提供士 12V 时 , 开环时最大输出电压约为士 10V引出段序号符号功能1Offset null 1调零2IN -反相输入 3IN +同相输入4VCC-电源负5Offset null 2调零6OUT输出7VCC+电源正8N.C.5. 低通有源滤波器设计要求和过程（1）设计要求：截止频率 fc=3kHz; 增益Av=1; 阻带衰减速率大于40dB/10倍频程；调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性。（2）低通滤波电路总体设计方案论证 设计截止频率为fc=3kHz，查找教材图标知C=0.0333uF。K=100/f*c=1。A=1，K=1时,查找教材图表知：R1=1.422K, R2=5.399K, R3开路，R4=0, C1=0.33C。 由于K=1，所以电路中所用电阻值与上面列表中的相同，电容C1=0.01uF, C=0.0333uF。（3）元器件选择交流电源1，uA741型运算放大器1，普通电阻2，0.01uF电容1和0.0333uF电容1，15V直流稳压电源2，导线若干。备注：低通滤波器可以用741运放、电容和电阻来实现。采用了一个LM358双运放芯片，里面包含有2个741运放。前一级的运放是实现低通滤波器的功能，后级实现对滤波后信号的放大作用6.硬件制作电路以及调试的总结6.1 设计压控有源低通滤波器并仿真设计条件：fc=3kHz 图1-3EWB方针电路图 输入为红色，输出为 蓝色电路参数设定：电路为去归一化低通滤波器原理图，首先得到其归一化参数，再由去归一化公式得出电路参数：，在本电路中选取阻抗标度系数为，再用 可得到新的值：在3KHZ处衰减如图所示 图1-4EWB幅频特性仿真当信号源的输入为200HZ,1V时: 图1-5仿真输入信号值输出波形和输入(红色)波形为: 当输入为1kHZ,1V时,输出波形变为:当输入信号为3KHz时输出为:当输入信号为75KHz时输出为:图1-8示波器输出波形6.2 电路的调试及测量6.2.1 实验仪器：直流稳压电源一台，导线若干，万用表一块，示波器一台，函数信号发生器一台。6.2.2 调试前的直观的检查（1）检查连线是否正确；（2）检查元器件的安装情况：元器件的管脚之间有没有短路，连接处有没有接触不良，集成电路的管脚是否接对及集成块的缺口是否与底座对位。(3)检查芯片是否正确插入6.3 调试电路在调试之前将直流稳压电源调到适当的幅度，大约为12伏，连接电路。在连接电路电源线时注意将电路板的地线与电源地线连接起来。输入正弦波信号约为1000HZ，输出端接示波器调节并观察信号波形，为一正弦波。然后逐渐增大输入信号的频率，随着频率的升高，信号发生器的输出幅度略有上升，当频率到达1.200kHZ时幅度开始下降,到达70kHZ时基本截止.本电路的调试过程非常简单，只要熟悉对基本仪器的使用即可，我调试的结果与理论值相差不大。实际测量值：200HZ1KHZ3kHZ60kHZ1.311V1.06V0.826V0.0145V6.4 误差分析根据原理图在Electronics Workbench 上仿真的效果很好，但调试的结果就有了出入，分析原因：前一级理论是大于1150赫兹就会衰减很快，但实际调试时在大于1400赫兹时才开始衰减，由于后级的放大把前级输入较小的正弦波放大后有了信号输出。后一级的放大电路的设计上有些不合实际操作，在频率低的情况下，能较好的放大，当频率较大后，由于集成运放的高频响应和截止际频率受到限制所引起。7 电路设计总结:1滤波器是一种选频电路选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。无限增益多环反馈滤波器特点：（1） 多环反馈型滤波器与无限增益单反馈环型T有源RC滤波器相比，使用元件少。（2） 这种滤波器的输出阻抗是集成运放的闭环输出阻抗，其值很小，因此多节串联，不需要隔离级。（3） 由于这种电路中的元件值不能取得太大，所以实现高Q滤波器比较困难。（4） 它的增益不可能太大。（5） 由于滤波器是多反馈环放大电路，故不能进行信号相加。2制作及调试过程出现的问题及解决办法：（）制作过程：在用Protel 99 SE制作电路版时，一定要确保电路原理图的正确，元件封装的选择要正确，适当时要自己做封装。电路版布局要按电流的流动方向，布线尽可能少，这样把测试干扰降到最低。元件焊接时要确保元件的正确放置，我们用的1K、10K、100K电阻外表比较接近，不能混淆，用万用表确保其大小最好。（）调试过程：在这次调试中，总的来说还很顺利，因为在设计时考虑得比较周全，各个元件值都选用了比较合适的值，并且利用计算机进行模拟仿真，得出了较好的结果；在设计印制版图时利用Protel99进行辅助设计，使得元件排布整齐，美观；版图质量高。所以在测量参数指标时，在没有换用任何元件的情况下得出了较好的指标。用逐次逼近法对两
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