二阶有源低通滤波器(杨靖平).doc

2013级模拟电子技术课程设计说明书 二阶有源低通滤波器 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 杨靖平 指导教师： 张松华 职称 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1302 完成时间： 2015年6月25日 摘 要滤波器是一种使有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，无源滤波器较有源滤波器无通带增益但设计简单易行。从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。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和无限增益二阶低通滤波器是有源滤波电路的重要两种电路，适合作为多级放大器的级联。论文先设计了一种压控电压源二阶有源低通滤波电路，其次并利用 Multisim10 仿真软件对电路的频率特性、特征参量等进行了仿真分析，仿真结果满足设计要求之后，用AD绘制电路原理图，再用AD导入原理图以手工布局和布线为铺完成其单面PCB的设计，最后，在PCB板安装电路并调试，调试数据与仿真数据大致相同,满足设计要求。关键词 ：压控电压源型；二阶；有源低通滤波器；Multisim10；AD目 录1 绪论11.1 设计意义及背景11.2 设计任务11.3 设计要求12 方案选择22.1 一阶有源低通滤波器电路22.2 压控电压源型二阶有源低通波电路23 元器件的选择与电路参数计算43.1 选择运放43.2 选择电容器43.3 计算电阻器阻值43.4 直流稳压源的设计63.4.1 变压器的选择63.4.2 整流器的选择63.4.3 电容的选择63.4.5 选择三端稳压器74 电路仿真84.1 仿真电路图84.2 仿真结果85.1 电路的制作105.2 直流稳压源的调试105.3 二阶有源低通滤波器电路调试115.3.1 调试过程115.3.3 调试数据分析145.3.4 误差分析145.3.5 设计体会14结束语16参考文献17致 谢18附录A 电路原理图19附录B PCB图20附录C 电路板实物图21附录D 元件清单221 绪论1.1 设计意义及背景 电子技术是当今科技发展的热点，各先进国家无不把它放在优先发展的地位。电子技术是电气类专业的一门重要的技术基础课，课程的显著特点之一是它的实践性。想要很好的掌握电子技术，除了掌握基本理论之外还要将其运用到实践中去，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。滤波器是信号处理的重要单元,在现代电子技术中得到了广泛的应用。按处理信号的不同,滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器,模拟滤波器按构成元件的不同又可分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器是指网络由电阻、电容及有源器件(三极管、运算放大器等,通常是运算放大器) 构成。因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。有源滤波器有许多独特的优点,如设计标准化、模块化、易于制造等。由于运算放大器的增益和输入电阻高、输出电阻低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用。并可用简单的级联得到高阶滤波器,且调谐也很方便。有源滤波电路的用途很广,主要用于小信号处理,可作为抑制干扰、噪声、衰减无用频率信号而突出有用频率信号达到提高噪声比或选频的目的。在实际应用中,综合考虑电路滤波特性和信号增益,一般选用有源滤波器,因此,研究其设计有很大的实际意义。1.2 设计任务设计一种二阶RC有源低通滤波器电路,截止频率100Hz，通带内增益倍。1.3 设计要求1、电路截止频率100Hz；2、通带内增益倍；2 方案选择2.1 一阶有源低通滤波器电路 它由一节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。对于任意频率信号，R的阻值是恒定的，而C的容抗与信号频率有关，信号频率越低，阻抗越大；反之，阻抗越小。R和C串联，从C的两端取电压，相当于一个分压器，这个分压器与普通电阻分压器不同的是，C的容抗是随频率变化而变化的。频率越低，C的容抗越大，输出的电压越高（最大不超过输入电压）；频率越高，C的容抗越小，输出的电压越低，这也就是一阶有源低通滤波器能够滤除高频信号的原因。电路原理图如图1所示。图1 一阶有源低通滤波器电路2.2 压控电压源型二阶有源低通波电路它由两节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ffH时（fH 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。电路原理图如图2所示。图2 压控电压滤源二阶有源低通波电路对比一阶有源低通滤波器和压控电压源型二阶有源低通滤波电路：一阶电路的过度带较宽 ，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频程；而压控电压源二阶带通滤波电路中，其衰减斜率可达-40 dB/十倍频程，幅频特性曲线过度带相对较窄，有利于滤波电路更好的实现滤波功能。所以通过对比压控电压源型二阶有源低通滤波器具有比一阶有源低通滤波器更好的滤波特性，所以在实际焊接电路板时选择压控电压源型二阶有源低通滤波器。3 元器件的选择与电路参数计算3.1 选择运放 在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器UA741。3.2 选择电容器一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表1初选电容值。表1 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(Hz)C(F)电容的容量宜在微法数量级以下，常见的微法级电容有0.33uF，设计选择电容。3.3 计算电阻器阻值 为设计方便选取, 则通带截止频率为（1） 电容代入（1）式，计算得, 根据常用电阻则可以取与串联。设计要求通带内增益倍通带内增益为2.45二阶有源低通滤波电路（即)，则（2） 将代入（2）计算的，然而品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。图3 不同Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线如果Q=0.707时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q0.707时,幅频特性将出现峰值。为了幅频特性曲线能够更好的平稳，设计电路Q值为0.707。根据公式（3）将代入（3）式计算得，当时，不满足设计通带增益要求。可知幅频特性曲线的平坦是以牺牲增益为代价，为使设计电路既能达到增益要求，又能使幅频特性曲线能够更好平稳，可将RC电路经过两级闭环增益相同的同相比例放大电路。设计同相比例放大电路闭环增益为1.528则二阶有源低通滤波器的通带增益为。（4）（5） 将代入（4）、（5）可得（6）式（6）选择R1、R2、Rf1、Rf2、Rt1和Rt2时，为了减少偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地直流电阻基本相等。则 （7）（8） 将（6）式、代入（7）、（8）可得根据常用电阻可取Rt1、Rt2可用代替，Rf1、Rf2 可用与串联。3.4 直流稳压源的设计 直流稳压源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。其直流稳压电源结构图和稳压过程如图4所示。图4 直流稳压电源结构图和稳压过程图设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V 、5V三组直流电压输出，最大输出电流为I0max=500mA。3.4.1 变压器的选择 根据三端固定式集成稳压器的特点，一般要求最小的输入电压、输出电压为,所以可取的输出电压为12V的变压器。3.4.2 整流器的选择 稳压源设计要求最大输出电流为I0max=500mA，整流二极管的参数应满足最大整流电流I1.5I0max=0.75A，最大反向电压应大于变压器副边输出电压。3.4.3 电容的选择（1） 滤波电容（9） 由式（9）可得滤波电容可等于式（10）（10）式中RL为C右边的等效电阻，应取最小值，T为电流电源的周期。RL最小值可由公式（11）算出。（11）将T=20ms,Imax=500mA代入式（11），可得。将，T=20ms再代入（10）式，得出C=1515F。可见，C容量较大，应选电解电容，实际容量选4700F，其耐压值为35V。（2） 消振电容：消振电容靠近滤波器，起消振作用，一般选择消振电容电容值为0.01F。（3） 旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，一般选择旁路电容电容值为220F。3.4.4 电阻的选择 由于输出的电压分别+12V -12V +5V -5V 发光二极管两端的电压在2V左右 所以与之串联的电阻分别为，。3.4.5 选择三端稳压器 设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V 、5V三组直流电压输出。故选固定三端稳压器LM7812、7912、7809、7909、7805、7905。4 电路仿真4.1 仿真电路图根据理论计算确定的参数画出仿真电路图如图5图5 二阶有源低通滤波器仿真电路图4.2 仿真结果 连接好图5的二阶有源低通器仿真电路图后，进行仿真，观察到的波特图如图6所示。图6 二阶有源低通滤波电路f=100Hz时波特图由图6可见经仿真分析可得在衰减-3dB时得出的上限截止频率为99.728HZ。与当初设计的100HZ十分接近。图7 二阶有源低通滤波电路f=1000Hz时波特图图8 二阶有源低通滤波电路幅频响应波特图的通带增益由图8可见，经仿真分析可得通带增益为8.039dB（即）。与当初设计的2.45十分接近。由图7，图8可见，经仿真数据，分析可得fH100Hz时,幅频增益以-41.143dB/十倍频程衰减。与理论值-40dB/十倍频程衰减十分接近。图9 二阶有源低通低通滤波器仿真波形图二阶有源低通滤波器仿真波形图如图9所示，可得输出信号的频率与输入信号的频率一致，输入信号与输出信号同频不同相，说明二阶低通滤波电路不会改变信号的频率，放大倍数大约在2.5倍，与原先设计的2.45倍十分接近，符合设计要求。5 电路制作与调试5.1 电路的制作在画出正确可行的电路原理图并在 Multisim 软件仿真成功之后，开始在AD上画原理图，再导出PCB图，对其进行合理布线。之后，开始制作 PCB 电路板，利用激光打印机先将图形打印到热转印纸上，再通过热转印机将图形“转印”到敷铜板上，形成有墨粉组成的抗腐蚀图形，再经腐蚀液腐蚀后即可获得所需印制板图形，这整个过程叫热转印法。其中，热印纸是具有耐高温（180.5）不黏连特性的转印媒介，热转印机是实现“热转印”的设备。经过激光打印机将PCB图形打印到热转印纸，再将热转印纸固定到敷铜板上，接下来再使用蚀铜液(腐蚀铜的化学药品)对基板进行蚀刻后，再清洗，覆铜基板上弯弯绕绕的铜线，就是用来实现电信号的传递的，把不用的铜箔蚀掉，留下墨粉组成的抗腐蚀图形，留在基板上弯弯绕绕的铜线，就是用来实现电信号的传递的，线路图就这么在基板上呈现出来，铜线电路完成之后便是安装元器件，最后是焊接。5.2 直流稳压源的调试 （1）调试二阶有源低通滤波器所需的电源，将的管脚外接的电阻，用示波器测试负载电阻的纹波电压，用万用表测试输出的直流电压。直流稳压源输出的纹波电压如图10所示。图10 +12V的直流稳压源的纹波电压 由图10可见输出的纹波电压为34.6mV。然后采用万用表所测试直流电压为12.09V。（2） 调试二阶有源低通滤波器所需电源的，将的管脚外接电阻，用示波器测试负载电阻的纹波电压，用万用表测试输出的直流电压。图11 -12V的直流稳压源的纹波电压 由图11可见输出的纹波电压为27.2mV。然后采用万用表所测试直流电压为-11.82V。 由直流稳压源的调试过程可知，设计出来的直流稳压源基本满足，二阶有源低通滤波器的直流供电电压要求。5.3 二阶有源低通滤波器电路调试5.3.1 调试过程将两片UA741芯片4脚，7脚所连接的插针分别-12，+12直流供电，输入端插针连接信号发生器。输出端插针连接示波器，信号发生器选择波形为正弦波，输入电压为300mV保持不变,调节信号频率从0Hz到2000Hz中取25组不同频率的信号，观察示波器中输出电压及频率的的变化。5.3.2 调试数据输入电压为，调节信号频率从0Hz到2000Hz中取25组不同频率的信号。表2 二阶有源低通滤波电路实验值示波器信号频率（f/Hz）输入信号频率（f/Hz）输入信号幅值（Ui/mV）输出信号频率（f/Hz）输出信号幅值（Ui/mV）增益Av1010.0532010.017682.43029.9631229.798002.5645049.7331649.957282.30412 示波器信号频率（f/Hz）输入信号频率（f/Hz）输入信号幅值（Ui/mV）输出信号频率（f/Hz）输出信号幅值（Ui/mV）续表2增益Av7069.8330869.836642.1568080.1630480.186242.0539089.8530489.975761.8959291.74304925761.8959493.9730494.425601.8429695.8930495.795521.8169897.6630498.335511.81310099.873041005361.763102101.9304101.95341.757104103.7312104.15281.692106106304105.95121.684108108304108.25101.678110110.1304109.94961.632120119.9312120.24561.462150149.7304150.43401.118180179.5304180.32600.8552502503042481520.5900900.930490115.60.0511000999.0304100013.60.04511001099304111311.10.03712001119.83041119100.03320002000.230019690.590.002 5.3.3 调试数据分析由表2数据可见，通带增益约为2.564左右，当通带增益下降3dB即（Av=1.815)，由表2可看出增益下降3dB的fH大约在98Hz左右。当输入频率为98Hz时,通带增益下降了3dB。由表2数据可算出（12）由式（12）可知当fH100Hz,幅频增益以35.114dB/十倍频程下降。这说明当输入频率小于98Hz通带增益衰减不大；当输入频率超过98Hz时通带增益出现了明显衰减，实现了低通的作用。同时可以看出输入和输出的频率几乎相同，这说明滤波器不会改变输入信号的频率。在合理的误差范围内，以上的数据都符合设计要求。虽然经调试后已合格，但是并不能说十分精确。5.3.4 误差分析 （1）设计器件，实验材料自身误差，不是十分精确。 （2）在焊接时，不能做到所有器件的线路都很合理，在操作是会有相互影响。 （3）参数设计不合理，使得功能不能更好的体现。 （4）集成块不是理想的集成块，在使用是会有一定的影响。 （5）实验用的元器件，如芯片易受温度的影响，实验时间过长，即会产生误差。 （6）仪器的精度不够，无法精确的检验结果。 （7）信号发生器的输出信号不够稳定，使得输出信号也发生波动，判断时受到影响，无法精确的确定参数是否合格。 5.3.5 设计体会经过近一个月的努力，有源二阶低通滤波器的设计制作已基本完成。经过搭建实际的电路得到的结果与虚拟软件得到的结果基本一致得出了比较理想的结果。通过这次对有源二阶低通滤波器的设计制作使自己学到了不少的知识，其中也遇到过不少困难，对AD软件不了解一开始也造成了很大的困扰，通过AD学习视频很询问他人，使对AD软件有一定程度的理解，其次，在调试电路时才发现设计的电路板需要两个直流稳压源为两片UA741供电，这点没有在设计PCB图发现，导致最后要借一个直流稳压源，本来可以在设计图中使两片UA741直流供电管脚并联，这样一个直流稳压源供电就可以了，无需两个，最后，用示波器测量输出电压时才发现电路板没有提供测试插针，这也是一大失误。通过这次对有源二阶低通滤波器的设计制作使最深刻的体会是掌握一门知识不仅是从理论上弄懂更重要的是联系实际亲自动手实践才能真正的掌握一门技术并运用于实际生产。结束语 设计要求设计一种RC有源低通滤波器电路,截止频率100Hz，通带内增益倍，通过比较一阶和二阶有源低通滤波器,详细的分析了它们的性能，并结合理论和Multisim 10软件的仿真功能进行比较分析两者性能优劣。通过软件仿真