二阶RC有源低通,高通,带阻滤波器的设计

1、电子技术课程设计报告 (二阶 RC 有源滤波器的设计目 录第一章 设计任务与要求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、高通、带通、带阻 ;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、分别设计二阶 RC 低通、高通、带通、带阻滤波器电路,计算电路元件参 数,拟定测试方案和步骤;2、在 multisim 里仿真电路,测量并调整静态工作点;3、测量技术指标参数;4、测量有源滤波器的幅频特性;5、写出设计报告。第二章 设计方案2.1 总方案设计 1 RC网络的作用在电路中

2、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放大器的作用电路中运用了同相输入运放,其闭环增益 RVF=1+R4/R3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 级。3反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端,称为反馈,其中的 电路称为反馈网络,反馈网络分为正、负反馈。滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器 应在要求的频(通内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则具有无穷大的衰 减。然而实际的滤波器距此有一定的差异,为此人们采用各种函数来逼近理想 滤波器的频率特

3、性。用运算放大器和 RC 网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。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。由于运算放大器的增益和输入电阻高,输入电阻低,所以能 提供一定的信号增益和缓冲作用,这种滤波器的频率范围约为 10-3Hz106Hz,频率稳定度可做到(10-31010-5 /摄氏度,频率精度为 +(35 %,并可用 简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元 器件。 滤波器等的技术指标有通带和阻带之分, 通带指标有通带的边界频率 (没 有特殊的说明时一般为 -3dB 截止频

4、率 , 通带传输系数。 阻带指标为带外传输系数的衰减速度(即带沿的陡变。下面简要介绍设计中的考虑原则。 1. 关于滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单,但带外传输系数衰减慢,一般在对带外衰减性 要求不高的场合下选用。 无限增益多环反馈型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源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽 时,可用低通滤波器和高通滤波器合成,这比单纯用带通滤波器要好2. 级数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(-40d

5、B 每十倍频程的衰减。多级滤波器串接 时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为 -mdB 每倍频程(或 mdB 每十倍频程时,则取级数 n 应满足 n 大于等于 m/6(或 n 大于等于 m/20。3. 运放的要求在无特殊要求的情况下,可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的 反馈以保证所需滤波特性,运放的开环增应在 80dB 以上。对运放频率特性的 要求,由其工作频率的上限确定,设工作频率的上限为 Fh, 则运放的单位增益 宽带应满足下式:BWG 大于等于(3-5 AefH ,式中为滤波通带的传输系数。 如果滤波器的输入信号较小,例如在 10mV 以下,则选低漂移运放。

6、 如果滤波器工作于超低频,以至使 RC 网络中电阻元件的值超过 100k ,则应 选低漂移高输入阻抗的运放。4. 元器件的选择 第三章 设计原理与电路低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 2.高通滤波器高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。 3. 带通滤波器带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过, 而比通频带 下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。为二阶高通滤波器的幅频特性曲线。 4. 带阻滤波器带阻滤波器和带通滤波器相反, 即在规定的频带内, 信号不能通过 (或受到 很大衰减或抑制 ,而在其余频率范围,信号则能顺利通过。 由 RC 元件与运算放

7、大器组成的滤波器称为 RC 有源滤波器,其功能是让一 定频率范围内的信号通过, 抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号, 因受运算放 大器带宽限制,这类滤波器仅适用于低频范围,根据频率范围可将其分为低通、 高通、 带通与带阻四种滤波器, 它们的幅频特性如下图所示, 具有理想特性的滤 波器是很难实现的, 只能用实际特性去逼近理想的, 常用的逼近方法是巴特沃斯 最大啊平坦响应和切比雪夫等波动响应。 在不许带内有波动时, 用巴特沃斯响应 较好,如果给定带内所允许的纹波差,则切比雪夫响应较好。1. 滤波器的传输函数 2.单元电路性能参数 (1 低通滤波器 二阶低通滤波器的通带增益 截止频率,它是二阶低通滤

8、波器通带与阻带的界限频率。 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。(2 高通滤波器 二阶高通滤波器的通带增益 截止频率,它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。 品质因数, 它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。(3 带通滤波器 通带增益 中心频率 通带宽度 选择性 (4 带阻滤波器 通带增益 中心频率带阻宽度 B =2(2-A up f 0选择性 3.2 元件参数的计算二阶低通滤波器性能参数表达式为Q=0.707二阶高通滤波器性能参数表达式为Q=0.707二阶带通滤波器性能参数表达式为二阶带通滤波器性能参数表达式为A V =13.2 元器件选择电阻的选择

9、根据参数计算得的结果和市场上所出售的请况而选择,见附 录清单。电容的选择 根据电阻的确定和规定的截止频率而选择,见附录清单。 运放的选择 本电路选择了八管脚的 UA741单运放。其管脚图如下, 3.3 工作原理滤波电路是一种能使有用频率通过, 同时抑制无用成分的电路。 滤波电路种 类很多, 由集成运算放大器、 电容和电阻可构成有源滤波器。 有源滤波器不用电 感,体积小,重量轻,有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大 器特性的限制,有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通 和阻带等电路。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路, 高频滤波电路则与低频滤波

10、电路相反, 带通滤波电路是指某一段的信号能通过而 该频段之外的信号不能通过的电路, 带阻滤波器和带通滤波器相反, 即在规定的 频带内,信号不能通过(或受到很大衰减或抑制 ,而在其余频率范围,信号则能顺利通过。第四章 电路的组装与调试MultiSim 软件介绍Multisim 是美国国家仪器(NI 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具, 适用于板级的模拟 /数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、 电路硬件描述语言输入方式, 具有丰富的仿真分析能力。 它提供了仿真实验和电 路分析两种仿真手段, 可用于模拟电路、 数字电路、 数模混合电路和部分强电电 路的仿真、分析和设计

11、。Multisim 是一种优秀而易学的 WDA (电子设计自动化 软件, 与其他仿真 分析软件相比, EWB 的最显著特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚 拟实验平台。 他几乎能对 ” 电子技术 ” 课程中所有基本电路进行虚拟实验, 虚拟实 验过程和仪器操作方法与实际相似, 但比实际方便、 省时。 他还能进行实际无法 或不便进行的试验内容, 通过储存和打印等方法可精确记录器实验结果。 它提供 十多种电路分析功能,能仿真电路实际工作状态和性能。应用 Multisim ,便于实现边学边练的教学模式,使“电子技术”课程的学 习变得更有趣而容易。4.1 MultiSim电路图1. 二阶低通滤波器

12、 2. 二阶高通滤波器 3.二阶带通滤波器 4. 二阶带阻滤波器 4.2MultiSim 仿真分析分析结果图1. 二阶低通滤电路 第五章 设计总结本次课程设计由于是个人独立选定课题, 所以在此过程的开始时基本上 所有人都在自己独立思考,同时又由于设计所采用的仿真和制板软件 Multisim 和 Altium Designer 在此之前基本不是很熟悉, 因此本次课程设计的前期多半是在摸索中前进, 当然付出中会有收获, 本次课程设计让我弄懂了很多以前感觉模 糊的东西, 同时也带给我成功的喜悦感, 增加了我的自信心, 当我看到由我自己 设计的东西由想法变成实物时, 我的心里充满了成功的喜悦感。 回想起此次课程 设计过程中经历的种种困难, 遇到不明白的问题时, 与他人讨论, 请教老师的过 程, 所有的努力