二阶低通滤波器的设计--模电课设报告要点

课程设计说明书课程设计说明书 课程设计名称：课程设计名称： 模拟电路课程设计模拟电路课程设计 课程设计题目：课程设计题目： 二阶低通滤波器的设计二阶低通滤波器的设计 学学 院院 名名 称：称： 南昌航空大学信息工程学院南昌航空大学信息工程学院 专业：专业： 通信工程通信工程 班级：班级： 学号：学号： 姓名：姓名： 评分：评分： 教师：教师： 2013 年年 03 月月 06 日日 模拟电路 课课程程设设计计任任务务书书 20122013 学年第学年第 2 学期学期 第第 1 周周 3 周周 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。 题目题目 二阶低通滤波器的设计二阶低通滤波器的设计 内容及要求内容及要求 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；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； 截止频率截止频率； 增益增益； 注：可使用实验室电源注：可使用实验室电源。 进度安排进度安排 第第 1 周：查阅资料，到机房学习仿真软件，确定方案，完成原理图设计及仿真；周：查阅资料，到机房学习仿真软件，确定方案，完成原理图设计及仿真； 第第 2 周：领元器件、仪器设备，制作、焊接、调试电路，完成系统的设计；周：领元器件、仪器设备，制作、焊接、调试电路，完成系统的设计； 第第 3 周：检查设计结果、撰写课设报告。周：检查设计结果、撰写课设报告。 学生姓名： 指导时间：周一、周三、周四下午指导地点：E 楼 311 室 任务下达2013 年 2 月 25 日任务完成2013 年 3 月 6 日 考核方式 1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它 指导教师 系（部）主任 摘要摘要 有源滤波器是由工作在线性区的集成运放和 RC 网络组成，实际上是一种具有特 定频率响应的放大器。滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分。 本次实验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和无限增 益多路反馈二阶有源低通滤波电路，用 LM324 系列芯片进行工作，内由四个独立的， 高增益，内部频率补偿运算放大器组成，采用仿真软件 Multisim12.0，对压控电压 源型二阶有源低通滤波电路和无限增益多路反馈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。 关键字：LM324，低通，滤波 目录目录 前言前言.1 第一章第一章 系统设计方案选择系统设计方案选择.2 1.1 总方案设计.2 1.2 子框图的作用.2 1.3 方案选择.3 第二章第二章 系统组成及工作原理系统组成及工作原理.4 2.1 压控电压源二阶有源低通滤波器.4 2.2 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器.5 第三章第三章 单元电路设计、参数计算、器件选择单元电路设计、参数计算、器件选择.6 3.1 压控电压源二阶有源低通滤波器设计及参数计算.6 3.2 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器的设计及参数计算.6 第四章第四章 电路组装及调试电路组装及调试.8 4.1 压控电压源二阶有源低通滤波器电路.8 4.1.1 调节方法.8 4.1.2 理论数据.8 4.1.3 实际测试数据.8 4.1.4 结果分析.8 4.2 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器电路.9 4.2.1 调节方法.9 4.2.2 理论数据.9 4.2.3 实际测试数据.9 4.2.4 结果分析.10 4.3 实物图.10 第五章第五章 总结总结.11 参考文献参考文献.12 0 前言前言 早先的滤波器是由电器，电容和电阻构成的无源电路，然而电感的使用带来了 许多问题：第一，电感的损耗比电容大得多，因而其品质因数（定义, L Q=/ LL QL r 为电感的损耗电阻）低于 1000，而电容的品质因数 (定义,为电 L r C Q=/ CC QC g C g 容的损耗电导)可高达 10000，工作频率越低，就越小；第二，低频工作时的电感 L Q 通常都要用铁磁材料为芯，从而造成其特性的非线性，并由此产生不需要的信号谐 波；第三，电感会发射和接受电磁波，从而把杂质干扰引进电路，造成不良后果； 第四，电感的体积，重量和成本都偏高，工作频率越低，这些缺点便越突出。 用电阻代替电感，可消除上述问题，但 RC 滤波器的性能不如 LC 滤波器好，并 且电阻还会是信号能量受损。 将具有放大作用的运算放大器与 RC 电路结合起来组成的有源滤波器，不但可弥 补由电阻造成的能量损失，而且可通过反馈使滤波器的性能提高。更可喜的是，由 于舍弃了电感，使整个电路的体积，重量大大减小，更便于实现集成化。 有源滤波器的缺点是：目前的工作频率还不够高，对温度等外部因素变化的敏 感度还不够低，而且不能像无源滤波器哪样做成浮动的，可以相信，随着科学技术 的发展，这些缺点将逐步被人们所克服。 按通过信号的频段可将滤波器分为五种：低通滤波器（LPF） ；高通滤波器 （HPF） ；带通滤波器（BPF） ；带阻滤波器（BEF） ；全通滤波器（APF） 。 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 波器可用压控电压源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。 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。 1 第一章第一章 系统设计方案选择系统设计方案选择 1.1 总方案设计总方案设计 RC 网络放大器 反馈网络 图 1.1 RC 有源滤波总框图 1.2 子框图的作用子框图的作用 1. RC 网络的作用网络的作用 图 1.2 RC 电路 在电路中 RC 网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上 起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。 2. 放大器的作用放大器的作用 图 1.3 同相放大电路 2 电路中运用了同相输入运放，其闭环增益Error! No bookmark name 2 1 1 V R A R given.，同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大 器。 3. 反馈网络的作用反馈网络的作用 将输出电量（电压或电流）的一部分或全部通过通过反馈网络，用一定的方式 送回到输入回路，以影响输入电量（电压或电流） 。 1.3 方案选择方案选择 1. 滤波器的选择滤波器的选择 一阶滤波器电路最简单，但外带传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不 高的场合下选用。无限增益多路反馈滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上 它不如压控电压滤波器。 2. 级数的选择级数的选择 滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电 路可获得-6dB 每倍频程（-20dB 每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获 得-12dB 每倍频程（-40dB 每十倍频程）的衰减。 3. 元器件的选择元器件的选择 一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc（）带内增益，以及品质因数C V A Q（二阶低通或高通一般为 0.707） 。在设计时经常出现待确定其值得元件数目多于 限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设 计者自行选定某些元件值。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 表 1.1 初选电容值。 表 1.1 滤波器工作频率与滤波器电容取值的对应关系 f/Hz100101101102102103103104104105105106 c/pF106107105106104105103104102103101102 3 第二章第二章 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 2.1 压控电压源二阶有源低通滤波器压控电压源二阶有源低通滤波器 压控电压源二阶有源低通滤波器基础电路压控电压源二阶有源低通滤波器基础电路 如图 2.1 所示 图 2.1 压控电压源二阶有源低通滤波器基础电路 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 ffo 时（fo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 i (s) (s) (s)1 (3)s)(s) OVF VF VA A VACRCR （2.1） 通带增益： oVF AA （2.2） 等效品质因素： 1 3 VF Q A 4 （2.3） 特征角频率： 1 C RC （2.4） 则 2 o 22 n i (s) (s) (s) ss OC C VA A V Q （2.5） 注：当，即时，滤波电路才能稳定工作。30 VF A3 VF A 2.2 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器基本形式无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器基本形式 如图 2.2 所示 图 2 2 无线增益多路反馈二阶有缘低通滤波器基础电路 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，Au（p）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=fo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。 1212 u 2 11231212 1 (s) 11111 s()s+ C C R R A CRRRC C R R 5 （2.6） uo u 2 (s ) 1 ss +1 L LL A A Q （2.7） 注：，Q 为品质因数 s s = L C 第三章第三章 单元电路设计、参数计算、器件选择单元电路设计、参数计算、器件选择 3.1 压控电压源二阶有源低通滤波器设计及参数计算压控电压源二阶有源低通滤波器设计及参数计算 电路图 如图 2.1 所示 由同相比例放大电路不同 Q 值下的幅频响应得知： 0.707Q （3.1） 通带内的电压放大倍数： 4 3 12 V R A R （3.2） 滤波器的截止角频率： 3 1212 1 2 f210 CC C C R R （3.3） 111222 111 (1) C V A QC RC RC R （3.4） 根据上述公式可得： ,可取 4 3 1 R R 34 1kRR 由 表 1.1 可取，可算出 12 0.1CCF 6 电阻可由电位器代替 1 596.58R 2k 电阻，可取 2 1.06255kR 1k 基本达到设计要求。 3.2 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器的设计及参数计算无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器的设计及参数计算 电路图 如图 2.2 所示 通带内的电压放大倍数： 2 1 2 V R A R （3.5） 滤波器的截止角频率： 3 1212 1 210 C C C R R （3.6） 根据上述公式可得： 由 表 1.1 可取 12 0.1CCF 有中心频率计算公式、 （3.5） 、以及品质因数计算公式可得： 取 fC=2kHz，Q=0.707，AV=2 求得： ，R1可由电位器代替，R2由电阻代替，取 12 225.19RR2k240 3 450.38R 可由 6 个串并联代替基本达到设计要求。450100 7 第四章第四章 电路组装及调试电路组装及调试 4.1 压控电压源二阶有源低通滤波器电路压控电压源二阶有源低通滤波器电路 4.1.1 调节方法调节方法 当电路接入信号时，输出函数与理论不符时，调节 R1 电位器，使电路的截止频率 为 2kHz 时，调解成功。 4.1.2 理论数据理论数据 当输入的信号频率小于截止频率 2000Hz，其电路的增益为 2。 4.1.3 实际测试数据实际测试数据 表 4.1 压控电压源电路实际数据 输入频率输出电压 1kHz20V 2kHz14V 3kHz8V 4kHz6V 输入电压 10V 6kHz4V 4.1.4 结果分析结果分析 实验截止频率为 2kHz，当输入信号频率低于 2kHz 时，电路增益基本为 2；当输入 信号频率高于 2kHz，电路截止信号。基本符合实验要求。 仿真电路图 如图 4.14.4 所示 8 图 4.1 压控电压源二阶低通滤波器 图 4.2 输入信号频率为 1kHz 图 4.3 输入信号频率为 2kHz 图 4.4 输入信号频率为 3kHz 4.2 无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器电路无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器电路 4.2.1 调节方法调节方法 当电路接入信号时，输出函数与理论不符时，调节 R1 电位器，使电路的截止频率 为 2kHz 时，调解成功。 4.2.2 理论数据理论数据 当输入信号的频率是 1kHz,2kHz,3kHz 输出和输入的倍数关系分别是 2 倍，1.4 倍， 然后截止，趋于 0。 4.2.3 实际测试数据实际测试数据 表 4.2 无线增益多路反馈电路实际数据 输入频率输出电压 1kHz20V 2kHz14V 输入电压 10V 3kHz7V 9 4kHz4V 6kHz2V 4.2.4 结果分析结果分析 实验截止频率为 2kHz，当输入信