二階低通濾波器的設(shè)計(jì)--模電課設(shè)報(bào)告要點(diǎn)

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1、右g/t空士摩 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)：模擬電路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 二階低通濾波器的設(shè)計(jì) 學(xué)院 名稱(chēng)： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)： 通信工程 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 評(píng)分： 教師： 2013年 03 月 06 日 模擬電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2012- 20也學(xué)年第上學(xué)期 第 1周- 3周 題目 二階低通濾波器的設(shè)計(jì) 內(nèi)容及要求 ① 分別用壓控電壓源和無(wú)限增益多路反饋二種方法設(shè)計(jì)電路； ② 截止頻率錯(cuò)誤！未找到引用源。； ③增益錯(cuò)誤！未找到引用源。； 注：可使用實(shí)驗(yàn)室電源。 進(jìn)度安排 第1周：查閱資料，到機(jī)房學(xué)習(xí)仿真軟件，確定方案，完成原理

2、圖設(shè)計(jì)及仿真； 第2周：領(lǐng)元器件、儀器設(shè)備，制作、焊接、調(diào)試電路，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 第3周：檢查設(shè)計(jì)結(jié)果、撰寫(xiě)課設(shè)報(bào)告。 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)時(shí)間：周一、周二、周四卜午 指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓311室 任務(wù)下達(dá) 2013年2月25日 任務(wù)完成 2013年3月6日 考核方式 九評(píng)閱 口舉辯 迎.實(shí)際操作 4.其它 指導(dǎo)教師 系（部）主任 注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。 2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。 摘要 有源濾波器是由工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放和 RC 網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)際上是一種具有特

3、 定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器主要用來(lái)濾除信號(hào)中無(wú)用的頻率成分。 本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路和無(wú)限增 益多路反饋二階有源低通濾波電路， 用 LM324 系列芯片進(jìn)行工作， 內(nèi)由四個(gè)獨(dú)立的， 高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器組成，采用仿真軟件 Multisim12.0 ，對(duì)壓控電壓源 型二階有源低通濾波電路和無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波電路進(jìn)行仿真分析、 調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字： LM324 ，低通，濾波 目錄 前言 1 第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 2 1.1 總方案設(shè)計(jì) 2 1.2 子框圖的作用 2 1.3 方案選

4、擇 3 第二章 系統(tǒng)組成及工作原理 4 2.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器 4 2.2 無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器 5 第三章 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇 6 3.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 6 3.2 無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 6 第四章 電路組裝及調(diào)試 8 4.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器電路 8 4.1.1 調(diào)節(jié)方法 8 4.1.2 理論數(shù)據(jù) 8 4.1.3 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù) 8 4.1.4 結(jié)果分析 8 4.2 無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器電路 9 4.2.1 調(diào)

5、節(jié)方法 9 4.2.2 理論數(shù)據(jù) 9 4.2.3 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù) 9 4.2.4 結(jié)果分析 10 4.3 實(shí)物圖 10 第五章 總結(jié) 11 參考文獻(xiàn) 12 、/ 、. 刖B 早先的濾波器是由電器，電容和電阻構(gòu)成的無(wú)源電路，然而電感的使用帶來(lái)了許 多問(wèn)題：第一，電感的損耗比電容大得多，因而其品質(zhì)因數(shù)錯(cuò)誤！未找到引用源。Ql （定義Ql = 0L/「l錯(cuò)誤！未找到引用源。，■錯(cuò)誤！未找到引用源。為電感的損耗電阻） 低于1000,而電容的品質(zhì)因數(shù)Qc （定義Qc=oC/gc錯(cuò)誤！未找到引用源。，gc錯(cuò)誤! 未找到引用源。為電容的損耗電導(dǎo)）可高達(dá)10000,工作頻率越低，

6、Ql錯(cuò)誤！未找到 引用源。就越??；第二，低頻工作時(shí)的電感通常都要用鐵磁材料為芯，從而造成其特 性的非線性，并由此產(chǎn)生不需要的信號(hào)諧波；第三，電感會(huì)發(fā)射和接受電磁波，從而 把雜質(zhì)干擾引進(jìn)電路，造成不良后果；第四，電感的體積，重量和成本都偏高，工作 頻率越低，這些缺點(diǎn)便越突出。 用電阻代替電感，可消除上述問(wèn)題，但 RC濾波器的性能不如LC濾波器好，并 且電阻還會(huì)是信號(hào)能量受損。 將具有放大作用的運(yùn)算放大器與 RC電路結(jié)合起來(lái)組成的有源濾波器，不但可彌 補(bǔ)由電阻造成的能量損失，而且可通過(guò)反饋使濾波器的性能提高。 更可喜的是，由于 舍棄了電感，使整個(gè)電路的體積，重量大大減小，更便于實(shí)現(xiàn)集成化。

7、有源濾波器的缺點(diǎn)是：目前的工作頻率還不夠高，對(duì)溫度等外部因素變化的敏感 度還不夠低，而且不能像無(wú)源濾波器哪樣做成浮動(dòng)的， 可以相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā) 展，這些缺點(diǎn)將逐步被人們所克服。 按通過(guò)信號(hào)的頻段可將濾波器分為五種： 低通濾波器（LPF）;高通濾波器（HPF）; 帶通濾波器（BPF）;帶阻濾波器（BEF）;全通濾波器（APF）。 濾波一般可分為有源濾波和無(wú)源濾波，有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭，而無(wú) 源濾波設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，但幅頻特性不如有源濾波器，而且體積較大。二階低通濾波器 可用壓控電壓源和無(wú)限增益多路反饋。采用集成運(yùn)放構(gòu)成的RC有源濾波器具有輸入 阻抗高，輸出阻抗低，可提供一定增益，

8、截止頻率可調(diào)等特點(diǎn)。壓控電壓源型二階低 通濾波電路是有源濾波電路的重要一種，適合作為多級(jí)放大器的級(jí)聯(lián)。 在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動(dòng)控制、通信及其它電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 第一章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 1.1 總方案設(shè)計(jì) 圖1.1 RC有源濾波總框圖 1.2 子框圖的作用 1 . RC網(wǎng)絡(luò)的作用 R ? d I * * Vi C Vo 圖1.2 RC電路 在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號(hào)，這樣在對(duì)波形的選取上 起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。 2 .放大器的作用 電路中運(yùn)用了同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益 A=1+R2錯(cuò)誤！未指定

9、書(shū)簽。，同相放 R 大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大器 。 3 .反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 將輸出電量（電壓或電流）的一部分或全部通過(guò)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)，用一定的方式送 回到輸入回路，以影響輸入電量（電壓或電流）。 4 .3方案選擇 1 .濾波器的選擇 一階濾波器電路最簡(jiǎn)單，但外帶傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高 的場(chǎng)合下選用。無(wú)限增益多路反饋濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感， 在這點(diǎn)上它不 如壓控電壓濾波器。 2 .級(jí)數(shù)的選擇 濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)確定。 每一階低通或高通電路 可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的

10、衰減，每二階低通或高通電路可獲得 -12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。 3 .元器件的選擇 一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc（8C）帶內(nèi)增益a ,以及品質(zhì)因數(shù)QU 階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值得元件數(shù)目多于限制元件 取值的參數(shù)之?dāng)?shù)目，因此有許多個(gè)元件均可滿(mǎn)足給定的要求， 這就需要設(shè)計(jì)者自行選 定某些元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱(chēng)值的分檔較少，電容難配，而 電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按 表1.1初選電容值。 表1.1濾波器工作頻率與濾波器電容取值的對(duì)應(yīng)關(guān)系 f/Hz 100~101 101~102 102~103 1

11、03~104 104~105 105~106 c/pF 106~107 105~106 104~105 103~104 102~103 101~102 3 第二章系統(tǒng)組成及工作原理 2.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器 壓控電壓源二階有源低通濾波器基礎(chǔ)電路 如圖2.1所示 圖2.1壓控電壓源二階有源低通濾波器基礎(chǔ)電路 1 1 5 它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同 相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率 f>>fo 時(shí)(fo為截止頻率)，電路的每級(jí)RC電路的相移趨

12、于-90q兩級(jí)RC電路的移相到 -1800,電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過(guò)電容 C引到集成運(yùn)放同 相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)減小， 所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減， 只允許低頻端信號(hào) 通過(guò)。具特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低 傳輸函數(shù)為: 未找到引用源 A(s)=VO(s) = A 錯(cuò) 誤！ Vi(s) 1 (3 —AVF)sCR)(sCR)2 (2.(1) 通帶增益： 錯(cuò) 誤！ 未 找 到 引 用 源。 Ao = Af (2.(2) 等效品質(zhì)因素： 3-Avf 錯(cuò) 誤！ 未 找 到

13、引 用 源 (2.(3) 特征角頻率: ! 未 找 到 引 1 RC (2.(4) ! 未找到引用源 A(s)= Vo(s) * 2 Ao c Vi(s) 2 11n 2 S ——S：% Q C (2.(5) 注：當(dāng)3—Af >0,即A/F <3時(shí)，濾波電路才能穩(wěn)定工作。 2.2無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器 無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器基本形式 如圖2.2所示 在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號(hào)加到集成運(yùn)放的同相輸入端， 同時(shí)電容Ci在電路參數(shù)不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激震蕩。為了避免這一點(diǎn)， Au (p)錯(cuò)誤! 未

14、找到引用源。取值應(yīng)小于3?？梢钥紤]將輸入信號(hào)加到集成運(yùn)放的反相輸入端，采 取和二階壓控電壓源低通濾波電路相同的方式， 引入多路反饋，構(gòu)成反相輸入的二階 低通濾波電路，這樣既能提高濾波電路的性能，也能提高在f=fo附近的頻率特性幅度。 由于所示電路中的運(yùn)放可看成理想運(yùn)放， 即可認(rèn)為其增益無(wú)窮大，所以該電路叫做無(wú) 限增益多路反饋低通濾波電路。 錯(cuò)誤！未找到引用源。Au(s)= — 2 S C1C2RR2 1111 ( )s+ C1 R1 R2 R3 C1C2R1R2 (2.(6) 錯(cuò) 誤！ 未 找 到 引 用 源。 入商)=一?0一 2 1 一 sL ~ sL +

15、1 Q (2.(7) 注：錯(cuò)誤！未找到引用源。sL = -s- , Q為品質(zhì)因數(shù) 第三章單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇 1.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 電路圖如圖2.1所示 由同相比例放大電路不同 Q值下的幅頻響應(yīng)得知： Q =0.707 (3.1) 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： AV=1+Rl=2 (3.2) R3 濾波器的截止角頻率： 未找到引用源 JC1C2RE =2二%=2二 103 (3.(3) 錯(cuò)誤！ 未找到引用源。 出=,+,+(1_8)， Q C1R1 C1R2 C2R2 (3.(4) 根據(jù)上述公式可得: R4 =1,

16、可取 以 = R4 =1kQ R3 由表1.1可取C1 =C2 =0.1 ^F ,可算出 電阻R1 =596.58C可由2kC錯(cuò)誤！未找到引用源。 電位器代替 電阻錯(cuò)誤！未找到引用源。，可取1 基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求 3.2無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 電路圖如圖2.2所示 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù): 12 濾波器的截止角頻率: 未找 到 引 用 源。 JC1C2RR2 二2 二 103 (3.6) 根據(jù)上述公式可得： 由 表1.1可取錯(cuò)誤！未找到引用源。C1=C2=0.1NF 有中心頻率計(jì)算公式、(3.5)、以及品

17、質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式可得： 取錯(cuò)誤！未找到引用源。fc=2kHz, Q=0.707錯(cuò)誤！未找到引用源。，Av=2錯(cuò)誤! 未找到引用源。求得： 錯(cuò)誤！未找到引用源。R=R2 =225.19C, R1可由2kC錯(cuò)誤！未找到引用源。電位器 代替，R2錯(cuò)誤！未找到引用源。由240Q錯(cuò)誤！未找到引用源。電阻代替錯(cuò)誤！未找 到引用源。R3 =450.38C,取450Q錯(cuò)誤！未找到引用源。可由6個(gè)100Q錯(cuò)誤！未找 到引用源。用并聯(lián)代替基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 第四章電路組裝及調(diào)試 4.1 壓控電壓源二階有源低通濾波器電路 4.1.1 調(diào)節(jié)方法 當(dāng)電路接入信號(hào)時(shí)，輸出函數(shù)與理論不符時(shí)，調(diào)節(jié) R1電位器，使電

18、路的截止頻率為 2kHz時(shí)，調(diào)解成功。 4.1.2 理論數(shù)據(jù) 當(dāng)輸入的信號(hào)頻率小于截止頻率 2000Hz錯(cuò)誤！未找到引用源。，其電路的增益為2 4.1.3 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù) 表4.1壓控電壓源電路實(shí)際數(shù)據(jù) 輸入電壓 10V 輸入頻率 輸出電壓 1kHz 20V 2kHz 14V 3kHz 8V 4kHz 6V 6kHz 4V 4.1.4 結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)截止頻率為2kHz錯(cuò)誤！未找到引用源。，當(dāng)輸入信號(hào)頻率低于2kHz錯(cuò)誤！未找 到引用源。時(shí)，電路增益基本為2;當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于2kHz錯(cuò)誤！未找到引用源。， 電路截止信號(hào)?；痉蠈?shí)驗(yàn)要求。 仿真電路

19、圖如圖4.1~4.4所示 mi 圖4.2輸入信號(hào)頻率為1kHz 圖4.1壓控電壓源二階低通濾波器 圖4.3輸入信號(hào)頻率為2kHz 圖4.4輸入信號(hào)頻率為3kHz 4.2 無(wú)限增益多路反饋二階有源低通濾波器電路 4.2.1 調(diào)節(jié)方法 當(dāng)電路接入信號(hào)時(shí)，輸出函數(shù)與理論不符時(shí)，調(diào)節(jié) R1電位器，使電路的截止頻率為 2kHz時(shí)，調(diào)解成功。 4.2.2 理論數(shù)據(jù) 當(dāng)輸入信號(hào)的頻率是1kHz,2kHz,3kHz輸出和輸入的倍數(shù)關(guān)系分別是 2倍，1.4倍，然 后截止，趨于00 4.2.3 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù) 表4.2無(wú)線增益多路反饋電路實(shí)際數(shù)據(jù) 輸入電壓 10V 輸入頻率

20、 輸出電壓 1kHz 20V 2kHz 14V 3kHz 7V  4kHz 4V 6kHz 2V 4.2.4結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)截止頻率為2kHz錯(cuò)誤！未找到引用源。，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1kHz錯(cuò)誤！未找到 引用源。時(shí)，電路增益為2;當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1kHz錯(cuò)誤！未找到引用源。，電路增 益為1.4；當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于2kHz錯(cuò)誤！未找到引用源。，電路截止信號(hào)?；痉?合實(shí)驗(yàn)要求。 仿真電路圖 如圖4.5~4.8所示 圖4.5無(wú)線增益多路反饋二階有源低通濾波器 圖4.6 輸入信號(hào)頻率為1kHz 圖4.7輸入信號(hào)頻率為2kHz 圖4.8輸入信號(hào)頻率為3kHz

21、  4.3實(shí)物圖 圖4.9實(shí)物圖（正面） 圖4.10實(shí)物圖（反面） 第五章 總結(jié) 二階有源低通濾波器可以有效實(shí)現(xiàn)其功能，有效的抑制了高頻信號(hào)而使低頻信號(hào)放大輸出。但其 理想狀態(tài)為輸入信號(hào)頻率低于 2kHz時(shí)，增益為2倍，高于2kHz,截止。但現(xiàn)實(shí)在輸入頻率為1kHz 時(shí)，增益才能達(dá)到 2倍，而在輸入信號(hào)頻率為 2kHz時(shí)，增益為1.4倍?？梢酝ㄟ^(guò)改變 RC電路R C的數(shù)值，增大品質(zhì)因數(shù) Q實(shí)現(xiàn)增益倍數(shù)變化程度。由于學(xué)所只是限制，以后完全可以進(jìn)一步用 更高階濾波器實(shí)現(xiàn)更好、有效的濾波作用。 參考文獻(xiàn) 1. 楊曉慧 ,白雪梅編著 .電子線路學(xué)習(xí)指導(dǎo) [M]. 北京 .國(guó)防工業(yè)出版社 .2006.8 2. 吳丙申 ,卞祖富編著 .模擬電路基 [M]. 北京 .北京理工大學(xué)出版社 .1997.1 3. 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京.高等教育出版社.2006.1 4. 張偉主編 .電路設(shè)計(jì)與制板 [M]. 北京 .人民郵電出版社 .2007.7 5. 邱關(guān)源 .電路 （第五版 ）[M]. 北京 .高等教育出版社 .2006.5 6.