滤波器的设计课程设计论文

1、 专业英语课程设计题 目： 二阶有源低通滤波器 院 （系）： 信工学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 李雪苗 学 号： 9100701331 指导教师： 李欣雨 20 12 年 11 月 20 日 第 1 页 共 10 页摘 要主要利用了系统的级联、反馈及电路仿真手段设计有源二阶滤波器简便方法。给出了电路参数选取的技巧。对反馈电路的接入点选择；系统传递函数的计算与验证都给出了分析，仿真实验证明通过调试可变电阻值，可以得到性能优良的二阶滤波器。 关键词：有源滤波器、传递函数、幅频特性 Abstract：Two-pole active filter is designed by the su

2、bsystems cascade connection and feedback. The circuit is also simulate . How to select the circuit parameters and the connect point of the reactive circuit is introduced in this paper . The transfer function of the system is calculated and verified . Its proved that two-pole active filter with excel

3、lent performance can be acquired by adjusting the rheostat. Key words： active filter ; transfer function; amplitude-frequency characteristic. 第 2 页 共10 页目 录引言 41 原理分析，公式推导 41.1 二阶低通滤波器原型原理图51.2 传输函数计算 51.3 阻值、容值计算 62 元器件选择 63 Multisim仿真原理图及仿真结果63.1 仿真原件图63.2 仿真结果73.2.1时域仿真73.2.2频域仿真74 测试结果与分析 85 结论

4、9参考文献 10附录 10 第 3 页 共10页引言 滤波器的作用是消除电路中某些不必要的信号并保留有用的信号，在信号处理方面具有非常重要的作用。滤波器能使所有特定频段的信号能够顺利通过，而对其它频段的信号起衰减作用。因此，滤波器被广泛地应用在通信和信号处理等领域。 滤波器的各类繁多，按照幅频特性的不同，一般分为低通滤波器（Low Pass Filter）、高通滤波器（Hight Pass Filter）、带通滤波器（Band Pass Filter）、全通滤波器（All Pass Filter）、带阻滤波器（Band Elimination Filter）等几类；按照器件的不同，分为无源滤波

5、器、有源滤波器和晶体滤波器等几种。无源滤波器是指由R、L、C等无源器件所构成的滤波器电路；有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路。 对于有源滤波器，通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；但是，其通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。一般可以按照有源滤波器传输函数分母中S的最高指数分为一阶、二阶和高阶滤波器。滤波器的阶数是指在滤波器的传递函数中有几

6、个极点.阶数同时也决定了转折区的下降速度，一般每增加一阶(一个极点)，就会增加-20dBDec(-20dB每十倍频程)。1、原理分析，公式推导 一阶有源滤波器电路结构简单，但其幅频特性衰减缓慢，因此，一阶有源滤波器的滤波特性与理想的低通滤波特性的差距很大，选择性较差。为了使滤波器的滤波特性更接近理想情况，常常采用二阶的滤波器。常用的二阶低通滤波器是在一阶低通滤波器的基础上改进的，即将RC无源网络由一节改为两节，同时将第一节RC电路的电容不接地而接在运放输出端，引入反馈，以改善附近的幅频特性，在高频段，衰减斜率的绝对值比一阶低通滤波器增大了一倍，为-40dB/十倍频程。在电路中，为计算方便，令R

7、C网络中的电阻取相同的值，再根据与频率的关系计算出电容的值。低通滤波器的幅频特性为：其幅频特性如图所示： 第 4页 共 10 页1.1 二阶低通滤波器原型原理图 常用的二阶低通滤波器是在一阶滤波器的基础上改进的，即将RC无源滤波网络由一节改为两节，同时将第一级RC电路的电容不直接接地而接在运放输出端，引入反馈，以改善截止频率附近的幅频特性。其电路结构图如下：当电路的增益为1时，此时R4与R3的取值为0，因此，根据电路结构图可作出如下的二阶有源低通滤波器的电路图：1.2 传输函数计算二阶低通滤波器的传输函数为： 第5 页 共 10 页其中，=，=当时，两边取对数得，通过查表得到二阶低通滤波器的传

8、输函数的分母多项式为。推出 Q= 。1.3 阻值、容值计算由传函可以推出阻值和容值 C1= ,C2= 取f=5.3KHz，9 计算出C1=4.7pF,C2=2.35pF。2 元器件选择 由于算出的阻值容值不一定是市场上有卖的标称值，因此需要实际买回元器件，然后再加以分析参数。实际买到的元件为R1=R2=9.06 ，C1=4.7pF,C2=2.2pF，运放为741。将元件参数代入计算式中计算出的理论截止频率为f=5.3KHz。 3 Multisim 10仿真原理图及仿真结果3.1仿真元件图 第 6页 共 10 页3.2 仿真结果3.2.1时域仿真通过模拟示波器仿真，得到的信号不存在失真现象，当频

9、率比较低里，即当<5K里，信号的幅度变化不大；而当继续增大输入信号的频率，其输出波形的幅度逐渐衰减，而且变化比较快，当频率大到一定值以后，波形已经基本上完全衰减。3.2.2频域仿真 第 7 页 共 10 页通过扫频仪的仿真可知，该电路的幅频特性与低通滤波器的幅频特性一致。在低频段的幅度几乎没有变化，当频率增加到一定值以后幅度开始变小，程一定的线性关系，斜率也比较大。当幅度衰减3dB里的频率为5.64KHz，仿真的结果与理论计算的结果存在一些偏差，毕竟仿真软件也不是完全理想化的，存在一定的误差是正常的。 5、测试结果与分析 测试时，电路的外加电源电压为+5V和-5V，输入一个1V的正弦波，

10、调节信号源频率，使得达到最大值，观察信号幅度随频率的变化着么，记录下特定频率点下的信号幅度峰峰值。当频率变化使得输出的信号幅度变化为最高幅度的倍，即，此时的频率即为低通滤波器的截止频率。测试电路如果没有信号输出，一般是由于以下几个原因导致：电源、信号源是否开启；接线是否正确；线路是否好的；电路是否存在虚焊情况以及元件是否损坏等原因。在排除了这些问题后，最终测试如下：1234561.0181.0180.9760.9200.8200.70878101525400.6180.5100.3720.1700.0660.024观察测试的数据，该电路具有低通滤波器的性能，当频率相对比较低时，基本上没有太多的

11、衰减，这就是在低通滤波器的能带范围内的信号；当信号的频率渐渐增大时，进入到滤波器的衰减带，信号的衰减会越来越大，而且衰减的幅度程定的线性，符合低通滤波器的幅频特性曲线。其幅频特性曲线图如下： 第8页 共10 页由测试的结果可知道，当=6KHz时，即在该频率处，幅度衰减了3dB，则=6KHz。由于设计的理论指标为=5.3KHz，因此，计算出该电路的误差为13.2%，而实际做出的电路板测试出来的结果与设计之初的指标存在了一定的差距。6、结论 通过这次低通滤波器的设计，对滤波器的原理有了更为深刻的了解，掌握了其基本原型、指标设定、参数计算、元件选择以及电路实现。 设计中用到了multisim，作为一

12、种电路的模拟仿真软件，能够很好地仿真所设计电路的结果，对于设计电路有着很好的辅助作用。这种软件对于设计与制作电路是非常有用的工具，通过这次设计电路得到了很好的掌握。要完成一个电路，需要经过一定的流程，包括：了解原理、通过指标计算参数、仿真测试、测试和调试的过程。在这次的设计中得到了很好的学习。实际做出来的电路板经常测试后与理论电路会存在一定的偏差。在设计之初通过计算得到的参数在实际电路中只能作为参考选择，要完全能满足指标的要求，可相应地更改电路中元件的值的大小，通过不断的测试才能最终满足要求。通过这次的课程设计，很好地懂得了其设计流程及方法，为今后做设计打下了基础。 第 9页 共10 页参考文献1 冈村廸夫（日), 王玲等译.OP放大电路设计. 北京：科学出版社, 2004年9月2 黄席椿等编.滤波器综合法设计原理. 北京：人民邮电出版社，19783 王卫东.模拟电子电路基础.西安：西安电子科技大学出版社，20034 Sanjit