二阶低通滤波器课程设计报告

1、五邑大学二阶低通滤波器课程设计报告题 目：二阶低通滤波器院 系 专 业 学 号 学生姓名 指导教师 一、题目的要求和意义1.1 题目： 二阶低通滤波器1.2 题目要求设计二阶低通滤波器，电源电压 5V，要求完成下面的技术指标：a. 滤波器的截止频率fH 100HZ；b. 通带电压增益Au 1；1.3 意义： 对信号进行分析与处理时, 常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题, 这些噪声有的是与信号同时产生的, 有的是传输过程中混入的。因此, 从接收的信号中消除或减弱干扰噪声, 就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性, 消除或减弱噪声,提取有用信号的过程称为滤波, 实现

2、滤波功能的系统称为滤波器二、方案的论证和设计2.1 方案的论证 2.2.1滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： 无源滤波器: 由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成 有源滤波器: 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。从功能来上有源滤波器分为： 低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、 带通滤波器（BPF）、带阻滤

3、波器（BEF）、 全通滤波器（APF）。其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率f及阻尼系数Q等。工作原理：二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路, 也是高阶虑波器的基本组成单元。常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反馈型和双二次型。本次课程设计采用压控电压源型设计课题。有源二阶滤波器基础电路如图1

4、所示：图1 二阶有源低通滤波基础电路它由两节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f=f0时（f0 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： 令 称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率 则上

5、式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式2.2.2芯片介绍：NE5532功能特点简介:NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。NE5532特点：小信号带宽：10MHZ输出驱动能力：600，10V有效值 输入噪声电压：5nV/Hz(典型值) 直流 电压增益

6、：50000 交流电压增益：2200-10KHZ功率带宽： 140KHZ转换速率： 9V/s大的电源电压范围：3V-20V 单位增益补偿2.2设计：2.2.1 二阶有源低通滤波器的参数计算：我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求截止频率f=1。当品质因数Q=0.707时，曲线的过渡过程最好。由公式： =0.707（1）可以求得低通滤波器的通带电压增 Aup =1.586即： Aup =1+Rf/R1=1.586（2）查表可知：当截止频率在10-100HZ范围内时，选择滤波电容1-10uf效果较好。取C1=C2=4.7uF,滤波电阻R=1 K。由公式：（3）可得到截止频率f=33.88HZ满足

7、题目的要求。由阻抗匹配可知，2R=Rf/R1（4）联立（2）和（4）可求的R1=2.2k，Rf=1.3k电阻R5、R6主要是给信号提供一个偏置电压，抬高波形，使得信号的负半轴可以无失真通过。如果芯片NE5532采用单电源供电，如果没有偏置电阻R5、R6波形负半轴将无法通过，从而产生失真，这里取R5=R6=2.2K。电容C3为耦合电容，是为了减少前一级零点漂移被后一级放大，所带来的噪声干扰。根据Z=1/jwc为了让低频能较好的通过，减少损耗，电容C3选择较大的电容值，这里取C3=330uF。2.2.2设计仿真电路如图：图2 二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图2.2.3仿真结果分析图5 二阶有源低通

8、滤波器仿真波形图分析上图知电路的截止频率在47.972HZ左右，与理论值33.88HZ有点偏差，这是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内电压放大倍数引起的，在误差允许的范围之内。 图6 二阶有源低通滤波器仿真波形图所加输入信号的最大值Vi=1.999v,波形入Channel-B所示;输出电压波形入Channel-A所示，其最大电压约为U0=2.511V，由以上分析知通带内电压放大倍数Aup=Uo/Vi=1.256,和理论值Aup=1.586存在一定的偏差，在误差也许范围内。综上所分析得知我组所设计的二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图符合题目要求。2.2.4原理图设计： 图3 二阶有源低通滤波

9、器原理图2.2.5 Pcb板制作：图3二阶有源低通滤波器2.2.6实物图如下图所示：图4二阶有源低通滤波器2.2.7 实物图测试结果分析 经测试电路基本满足要求，输入1V，测出来的增益为1.5倍左右，截止频率在20HZ左右，与实际算出来有一定的偏差，主要是电阻电容阻值上有一定的差别。从这里也可以看出不能过分的相信仿真，他只能作为一种参考。三、课程设计体会：通过课程设计，培养了我们的动手能力和设计能力，也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，最主要的还是参数的选择和计算上。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。经历这一次锻炼我对做电路更感兴趣了，以后将会多做一些电路，通过实践来发现自己的不足，再回归到课本学习理论知识。四、参考文献1网址：/datasheet-pdf/view/27248/TI/NE5532P.h