二阶有源低通滤波器

1、 2014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 学生姓名： 某 某 学 号： * 指导教师： * 职称 * 专 业： * 班 级： * 完成时间： * 课程设计评定意见指导老师评阅意见指导老师签字：指导老师评定成绩教研室意见教研室主任签字：模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程 指导教师学生姓名课题名称二阶有源低通滤波电路内容及任务一、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23倍。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；

2、 3、 单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标1、 基本要求与指标1、电路截止频率100HZ；2、通带内增益23倍； 二、扩展要求与指标 1、幅频特性、相频特性曲线尽可能接近理想化；2、能采用另一种方案设计RC有源低通滤波器。进度安排起止日期工作内容2016.6.10-6.13下达任务书，针对选题任务书，收集资料2016.6.14-6.15针对课题任务，进行电路设计2016.6.16-6.17对设计的电路进行仿真2016.6.18-6.20进行电路制作与调试2016.6.21进行说明书书写2016.6.2

3、2实物答辩主要参考资料1康华光.电子技术基础模拟部分M.（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.2334,412423,4855162王港元.电工电子实践指导M.江西：江西科学技术出版社，2000.2132363彭介华.电子技术试验与课程设计M.北京：高等教育出版社，2003.15244谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版)M.武汉：华中科技大学出版社.2002.701575邱光源.电路M.第5版.北京:高等教育出版社 ,2002.125204 6曹才开，张丹，罗雪莲，等.电路与电子技术实验M.湖南：中南大学出版社，2009.156158，141146，287293

4、 7熊幸明，曹才开，王新辉.电工电子实训教程M.北京：清华大学出版社，2007.3441,2833008刘铭，陈世利.电子线路综合设计与实践M.北京：机械工业出版社，2014.5963指导教师意见签名： 年 月 日教研室意见签名：年 月 日 模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程 指导教师学生姓名课题名称直流稳压电源内容及任务一、设计任务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。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分

5、析计算和选择； 3、单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标一、设计要求及技术指标1、要求输入电压为有效值220V、50Hz的市电交流电压，电源输出电压为±12V、±9V 、±5V。2、最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%。二、扩展要求与指标1、能显示电源输出电压值，00.0-12.0V； 2、要求有短路过载保护。进度安排起止日期工作内容2016.6.10-6.13下达任务书，针对选题任务书，收集资料2016.6.14-6.15针对课

6、题任务，进行电路设计2016.6.16-6.17对设计的电路进行仿真2016.6.18-6.20进行电路制作与调试2016.6.21进行说明书书写2016.6.22实物答辩主要参考资料1康华光.电子技术基础模拟部分M.（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.2334,412423,4855162王港元.电工电子实践指导M.江西：江西科学技术出版社，2000.2132363彭介华.电子技术试验与课程设计M.北京：高等教育出版社，2003.15244谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版)M.武汉：华中科技大学出版社.2002.701575邱光源.电路M.第5版.北京:高

7、等教育出版社 ,2002.125204 6曹才开，张丹，罗雪莲，等.电路与电子技术实验M.湖南：中南大学出版社，2009.156158，141146，287293 7熊幸明，曹才开，王新辉.电工电子实训教程M.北京：清华大学出版社，2007.3441,2833008刘铭，陈世利.电子线路综合设计与实践M.北京：机械工业出版社，2014.5963指导教师意见签名：年 月 日教研室意见签名：年 月 日摘 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。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

8、供一定增益，截止频率可调等特点。分析了二阶有源低通滤波器的设计要求，确定了设计方案，计算了所需元器件参数。利用Multisim建立了二阶有源低通滤波器仿真模型，并进行了仿真测试。利用AD软件绘制了PCB图，用热转印设备进行了PCB板打印，完成电路板的制作，并对电路板进行了调试和测试。最后综合分析仿真结果与实测结果，达到了设计要求。关键词 ：低通滤波器；截止频率；UA741目 录1 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 设计依据12 设计原理22.1 压控电压源型二阶有源低通波电路设计原理22.2 直流稳压电源的设计原理23 二阶有源低通滤波器电路参数计算及仿真43.1 二阶有源低通滤电路各

9、单元参数计算43.1.1 RC网络的参数计算43.1.2 运算放大器的选择43.1.3 反馈网络的参数计算53.2 二阶有源低通滤波器电路仿真53.2.1 二阶有源低通滤波器Multisim仿真电路图53.2.2 Multisim仿真结果与分析64 直流稳压电源的设计与仿真94.1 直流稳压电源的工作原理及Multisim仿真电路图94.2 直流稳压电源的器件选择94.2.1 变压器94.2.2 整流桥94.2.3 三端稳压管94.3 直流稳压电源仿真104.3.1 变压部分104.3,2 整流部分104.3.3 滤波部分104.3.4 稳压部分115 电路制作与测试125.1 PCB制版12

10、5.2 电路的焊接125.3 直流稳压电源的调试125.4 二阶有源低通滤波器的调试135.4.1 调试过程135.4.2 调试数据记录及分析135.4.3 误差分析14结束语15参考文献16致 谢17附 录18附录A PCB图18附录B 实物图19附录C 电子元器件清单20附录D 仿真电路图211 绪论1.1 课题研究背景和意义这个世界中充满了各种各样的波，而这些波，有的是有用的，有的是无用的，有的是高频率波，有的是低频率波，人们怎样才能得到自己希望得到的各种波段呢，这就需要用到滤波器，而滤波器的种类繁多，如按照幅频特性的不同，一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等几类；按

11、照器件的不同，分为有源滤波器、无源滤波器和晶体滤波器等。有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路。在人们生活中，为了得到低频率的波段，就需要用到低通滤波器，与低通滤波器原理相同的有如下几个实例：一个固体屏障就是一个声波的低通滤波器。当一个房间中播放音乐时，房外很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉了。类似的情况是，一辆小汽车中非常大的音乐声在另外一个车中的人听来却是低音节拍，因为这时封闭的汽车（和空气间隔）起到了低通滤波器的作用，减弱了所有的高音。电子低通滤波器用来驱动重低音喇叭和其它类型的扩音器、并且阻塞它们不能有效传播的高音节拍。无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与

12、其它通信发生干扰的谐波发射。DSL分离器使用低通和高通滤波器分离共享使用双绞线的DSL和POTS信号。低通滤波器也在如Roland公司这样的模拟合成器合成的电子音乐声音处理中发挥着重要的作用。1.2 设计依据设计一种二阶RC有源低通滤波器电路,截止频率100HZ，通带内增益23倍。幅频特性、相频特性曲线尽可能接近理想化。212 设计原理2.1 压控电压源型二阶有源低通波电路设计原理压控电压源型二阶有源低通波电路，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，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

13、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1所示。图1 压控电压滤源二阶有源低通波电路二阶RC有源低通滤波器的功能是让给定低频率的信号通过，而衰减或抑制给定范围之外的信号。由集成运放与R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。2.2 直流稳压电源的设计原理直流稳压电源的结构框图和波形变换如图2所示： ui u1 u2 u3 u4稳 压滤 波变 压整 流 t t t t220V50Hz 图2 直流稳压电源的结构框图和

14、波形变换结合图2可以得出直流稳压电源的工作原理：电路接入幅值为220V、频率为50Hz的ui，通过电源变压器，将220V的电压幅值调整为合适的电路工作压值u1。通过电源变压器输送过来的交流电，再通过桥式整流电路BRIDGE，得到单方向全波脉动的直流电压u2。由于单方向全波脉动的直流电压中含有交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路的后面加一个滤波电路，以滤去交流成分，得到直流电压u3。在滤波电路的后面再接一个稳压电路，使输出的直流电压更加平滑，得到直流电压u4。3 二阶有源低通滤波器电路参数计算及仿真3.1 二阶有源低通滤电路各单元参数计算3.1.1 RC网络的参数计算为设计方便选取, 则

15、通带截止频率为： （1）根据工作频率范围，并按照表1初选电容值。表1 滤波器的工作频率与滤波电容取值的对应关系f（1-10）Hz（10-102）Hz（102-103）Hz（1-10）KHz（10-103）KHz（102-103）KHzC（20-10）F（10-0.1）uF（0.1-0.01）uF（104-103）pF（103-102）pF（102-10）pF电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻器的阻值一般应在几百千欧以内。本次课题需要设计截止频率的低通滤波器。根据表1所示的对应关系，所以选择电容C=0.1F。 将C=0.1F代入式（1）中，可得电阻阻值为： （2）3.1.2 运算放大器的选择在

16、一般情况下，可选用通用型运算放大器UA741。UA741芯片引脚和工作说明：1脚和5脚为偏置（调零端），2脚为反向输入端，3脚为正向输入端，4脚接负电源，6脚为输出，7脚接正电源，8脚为空脚。UA741管脚图如图3所示：图3 UA741管脚图3.1.3 反馈网络的参数计算放大电路中的通带增益： （3）因为课题要求电路电压放大增益为23倍，所以取所以，由式（3）得， （4）3.2 二阶有源低通滤波器电路仿真3.2.1 二阶有源低通滤波器Multisim仿真电路图图4 二阶有源低通滤波器电路图3.2.2 Multisim仿真结果与分析图5 二阶有源低通滤波仿真波形图I（f=30Hz）图5显示出,当

17、输入信号频率是f=30Hz,输入电压Vi=376.334mV，输出电压Vo=1.059V，Vi和Vo是正相的。所以增益： （5） 图6 二阶有源低通滤波仿真波形图II（f=60Hz）图6显示出，当输入信号频率是f=60Hz，输入电压Vi=-324.285mV，输出电压Vo=-699.215mV，Vi和Vo是正相的。所以增益： （6）图7 二阶有源低通滤波仿真波形图（f=90Hz）图7显示出，当输入信号频率是f=90Hz，输入电压Vi=-293.112mV，输出电压Vo=805.417mV，Vi和Vo是反相的。所以增益： （7）以上三组数据分析出，电压增益与设计方案的理论值2.5倍。虽然有一定的

18、差距，但是在误差允许范围内，所以符合设计要求。图8 二阶有源低通滤电路波特图图9 二阶有源低通滤波仿真截止频率（f=160Hz）图8、图9显示出截止频率与理论值100Hz有着一定的差距，仿真结果大概在160Hz左右，这可能是由于电阻和电容的位置存在偏差及兼顾通道内电压放大倍数引起的，也可能是Multisim软件自身造成的误差。4 直流稳压电源的设计与仿真4.1 直流稳压电源的工作原理及Multisim仿真电路图稳压电源电路主要由变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路等电路以及模块构成。首先用电源变压器将电网电压降低，获得所需要的电压，然后整流变成单项直流电，然后再滤除交流成分，最后经过稳压供给

19、负载电路。图10 直流稳压电源电路图4.2 直流稳压电源的器件选择 4.2.1 变压器变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯、。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等。按用途可以分为：电力变压器和特殊变压器。设计中采用型号为E148*24的双12V变压器，变比为18：1。4.2.2 整流桥整流桥就是将整流管封在一个壳内了。分全桥和半桥。全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起。半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起，用两个半桥可组成一个桥式整流电路，一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路， 选择整流桥要考虑整流电路

20、和工作电压。由输出电流， 选择整流桥。这里选择DB101型号。4.2.3 三端稳压管用LM7812、LM7912、LM7809、LM7909、LM7805、LM7905三端稳压管来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。4.3 直流稳压电源仿真4.3.1 变压部分变压后，波形为正弦波，电压下降到变压器规定的电压,其波形如图11所示。 图11 稳压电源变压仿真图由图11 可以看出变压后，

21、变压器变压为15.491v。4.3,2 整流部分电路整流后，由双向脉动的正弦波变为单向脉动的正弦波,其波形如图12所示。图12 电路整流仿真图由图12可以看出整流后，由双向脉动的正弦波变为单向脉动的正弦波。4.3.3 滤波部分滤波是将单向脉动的正弦波变为纹波。其波形如图13所示。图13 滤波部分仿真图由图13可以看出滤波后，由单向脉动的正弦波变成纹波。4.3.4 稳压部分稳压是将纹波进一步变为没有脉动的波形，作为输出，以达到设计要求。其波形如图14所示。14图14 稳压部分仿真图由图14可以看出稳压后，由纹波变为稳定的直线，输出平均值为9.433V，满足设计要求。5 电路制作与测试5.1 PC

22、B制版确认仿真数据正确后，就开始使用AD软件进行PCB图的绘制。启动PCB制版软件后，先新建元件及做好封装。其次，画出原理图，导入到 PCB中进行排版布线。PCD图制作完成后，便开始制作PCD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

23、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。将所需的元件在板子上焊好，即可调试和测试了。（PCB图见附录A）5.2 电路的焊接在组装电路时，先对电路板进行检查，看有无裂痕，连接导线是否开路等，在插放元件的时候，最好对每个元件进行检测。原件有可能存在 一定的误差。在焊接是要注意元件引脚的正确摆放，特别是一些有级性的元件，防止插错了有可能对电路造成短路，在焊接元件时也要注意，特别是对一些精密度高 的元件应注意电烙铁的温度，最

24、好不要在风扇下面进行操作，以免风扇影响烙铁的温度，同时要注意焊接技术，不要出现尖角，剪出引脚的时候，引脚不要留的太长，避免不必要的干扰。5.3 直流稳压电源的调试经调试，测得输出分别为-12.23V，11.89V，-9.09V，8.89V，-5.06V，4.98V符合设计要求指标，完成设计。5.4 二阶有源低通滤波器的调试5.4.1 调试过程将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30Hz逐渐调到2000Hz，从中抽取13组不同频率的信号，观察示波器

25、中输出电压及频率的的变化。5.4.2 调试数据记录及分析当输入电压时，把信号频率从0Hz逐渐调到2000Hz，从中抽取13组不同频率的信号，记录入表2中。表2 二阶有源低通滤波电路测试值示波器信号频率（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Av3029.9630829.798002.5975050.0130849.958722.8317070.0330669.839122.9809090.0030689.979683.163100104.993021059203.046130129.99302120.27922.623

26、150149.99302150.46042.0180179.9304180.34161.368300300.02300299.991400.467900900.930490115.60.0511000999.0304100013.60.04512001119.83041119100.03320002000.230019690.590.002由表2中的数据可见，通带增益约为3.163左右，当通带增益下降3dB时频率为150Hz，当频率增大为900Hz时，增益为0.051。由表3数据可算出： （8）由式（8）可知当fH>150Hz,幅频增益以35.851dB/十倍频程下降。这说明当输入频率小

27、于150Hz通带增益衰减不大；当输入频率超过150Hz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。在规定的误差范围内，以上的数据都符合设计要求。5.4.3 误差分析（1）电子元器件的自身误差，不是十分精确。 （2）在焊接电路板的过程中，焊点之间会有相互影响。 （3）参数设计不合理，使得功能不能更好的体现。 （4）集成块不是十分理想的集成块，在使用是会有一定的影响。 （5）调试仪器的精度不够，无法精确的检验结果。 （6）信号发生器的输出信号不够稳定。 结束语这次课程设计让我重新温习了一遍书本知识，让我弄懂的很多以前不太明白的知识。同时，课程设计也培养了我的动手能力，这将为我以后工作打下良好的基础。通过这次课程设计，使我更为深刻地认识到理论与实践相结合的重要性。明白理论知识需要与实践结合起来，从理论中得出结论，从实践中得出经验，进而提高自己的实际动手能力和思考问题的能力。在实践中，虽然我们遇到了一个个的问题，但是我们都努力的去解决。这样我更加明确了团队合作是多么的重要。在以后的学习和工作中，我会更加认真的去学习和做好与队友的