二阶低通滤波器的设计--模电课设报告要点

1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计说明书课程设计名称： 模拟电路课程设计 课程设计题目： 二阶低通滤波器的设计 学 院 名 称： 南昌航空大学信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 2013 年 03 月 06 日 模拟电路 课程设计任务书20122013 学年第 2学期第 1 周 3 周 题目二阶低通滤波器的设计内容及要求 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； 截止频率； 增益；注：可使用实验室电源。进度安排第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；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；第

2、3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 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。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

3、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，滤波目录专心-专注-专业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,为电感的损耗电阻）低于1000，而电容的品质因数 (定义,为电容的损耗电导)可高达10000，工作频率越低，就越小；第二，低频工作时的电感通常都要用铁磁材料为芯

4、，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

5、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

6、自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。第一章 系统设计方案选择1.1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1. RC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. 放大器的作用图 1.3 同相放大电路电路中运用了同相输入运放，其闭环增益Error! No bookmark name 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

7、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1. 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Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待

8、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/Hz100101101102102103103104104105105106c/pF106107105106104105103104102103101102第二章 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

9、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： （2.1）通带增益： （2.2）等效品质因素： （2.3）特征角频率： （2.4）则 （2.5

10、）注：当，即时，滤波电路才能稳定工作。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

11、，所以该电路叫做无限增益多路反馈低通滤波电路。 （2.6） （2.7）注：，Q为品质因数第三章 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： （3.1）通带内的电压放大倍数： （3.2）滤波器的截止角频率： （3.3） （3.4）根据上述公式可得：,可取由 表1.1可取，可算出电阻可由电位器代替电阻，可取基本达到设计要求。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电路图 如图2.2所示通带内的电压放大倍数： （3.5）滤波器的截止角频率： （3.6）根据上述公式可得：由 表1

12、.1可取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，取可由6个串并联代替基本达到设计要求。第四章 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4.1.1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实际测试数据表 4.1 压控电压源电路实际数据输入电压10V输入频率输出电压1kHz20V2kHz14V3kHz8V4kHz6V6kHz4V4.1.

13、4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 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3kHz4.2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

14、。4.2.3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电压10V输入频率输出电压1kHz20V2kHz14V3kHz7V4kHz4V6kHz2V4.2.4结果分析实验截止频率为2kHz，当输入信号频率为1kHz时，电路增益为2；当输入信号频率为1kHz，电路增益为1.4；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4.54.8所示 图 4.5 无线增益多路反馈二阶有源低通滤波器 图 4.6 输入信号频率为1kHz 图 4.7 输入信号频率为2kHz 图 4.8输入信号频率为3kHz4.3实物图 图 4.9 实物图（正面） 图 4.10 实物图（反面）第五章 总结二阶有源低通滤波器可以有效实现其功能，有效的抑制了高频信号而使低频信号放大输出。但其理想状态为输入信号频率低于2kHz时，增益为2倍，高于2kHz，截止。但现实在输入频率为1kHz时，增益才能达到2倍，而在输入信号频率为2kHz时，增益为1.4倍。可以通过改变RC电路R、C的数值，增大品质因数Q实现增益