二階有源濾波器的設(shè)計(jì)-模電課設(shè)報(bào)告要點(diǎn)

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1、七&高I室十厚 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 課程設(shè)計(jì)名稱： 模擬電路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 二階有源濾波器的設(shè)計(jì) 學(xué)院 名稱： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級(jí)： 110423班 學(xué)號(hào)：姓名： 評(píng)分：教師： 2013年 3月 11 日 右3音t空士珍 模擬電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2012- 2013學(xué)年第 N 學(xué)期 第周一 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fc=2kHz; ③增益Av =2。 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，完成原理圖設(shè)計(jì)及仿真；

2、 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、撰寫課設(shè)報(bào)告。 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)時(shí)間：周一、周三、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15日 考核方式 1.評(píng)閱口 2. 答辯口 3. 實(shí)際操作臼 4.其它口 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 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。 有源低通濾

3、波器是一種通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。 本次試驗(yàn)主 要采用了由四個(gè)獨(dú)立運(yùn)算放大器組成的 LM324芯片和可調(diào)性電位器，通過(guò)壓控電壓 源和無(wú)限增益多路反饋兩種方法來(lái)設(shè)計(jì) RC網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)、multisim仿真分析及焊 板和調(diào)試，從而得到具有特定截止頻率的二階濾波器。 關(guān)鍵字：低通，濾波器，LM324 前言 1 第一章 系統(tǒng)組成及工作原理 2 1.1 有源濾波器系統(tǒng)組成 2 1.2 工作原理 2 1.2.1 有源二階壓控濾波器工作原理 2 1.2.2 無(wú)限增益多路反饋濾波器工作原理 4 第二章 設(shè)計(jì)方案 5 2.1 方案選擇 5 2.2 電路及

4、其參數(shù)設(shè)計(jì) 6 2.2.1 有源二階壓控濾波器電路及參數(shù)設(shè)計(jì) 6 2.2.2 無(wú)限增益多路反饋濾波器的電路及參數(shù)設(shè)計(jì) 7 第三章 電路調(diào)試及結(jié)果分析 8 3.1 電路組裝及調(diào)試 8 3.2 測(cè)試結(jié)果與分析 8 3.2.1 仿真結(jié)果圖 8 3.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 9 3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 10 第四章 結(jié)論 11 參考文獻(xiàn) 12 、乙 刖 百 濾波器是一種使用信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置，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。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

5、，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。從濾波器階數(shù)可分為一階和高階，階數(shù) 越高，幅頻特性越陡峭。高階濾波器通?？捎梢浑A和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成。 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，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)。 12 第一章系統(tǒng)組成及工作原理 1.1 有源濾波器系統(tǒng)組成 原理框圖如圖1.1所示: 圖1.1 RC有源濾波總框圖 如上圖可知，有源濾波器濾波器是由 RC網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)以及放大電路三部分組 成。其中在電路中RC網(wǎng)絡(luò)通

6、常主要由電阻和電容組成，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。 而反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出信號(hào)的一 部分或全部通過(guò)牧電路印象輸入端， 稱為反饋，其中電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分 為正、負(fù)反饋。并且在電路中運(yùn)用同相輸入運(yùn)放，其閉環(huán)增益 Rvf=1+R4/R3同相放 大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。 1.2 工作原理 1.2.1 有源二階壓控濾波器 基礎(chǔ)電路如圖2所示: CbC KJ 同相比例放大電路 圖1.2二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路 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

7、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>> f0時(shí)（f0為截止頻率），電路的每級(jí)RC電路的相移趨于-90o,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)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。 傳輸函數(shù)為： A(s)= Vo(s) Vi(s) AVF _ _2 1 (3-AVF)sCR (sCR)2 (1.1) 通帶

8、增益： A=A/f (1.2) 等效品質(zhì)因數(shù): 1 3-Avf 特征角頻率: RC A(s)= A。」； (1.3) (1.4) (1.5) 注：當(dāng)3_加＞0,即從尸＜3時(shí)，濾波電路才能穩(wěn)定工作。 1.2.2 無(wú)限增益多路反饋有源濾波器 基礎(chǔ)電路如圖1.3所示: 可看成理想運(yùn)放, 波電路。 Au (s) = S J 1 C1C2R1R2 (1.6) Ci [R R2 R3 J C1C2R2R3 圖1.3無(wú)限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波電路 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C

9、1在電路參數(shù)不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生自?殷震赤 為了避免這一點(diǎn)， Aup取值應(yīng)小 于3。可以考慮將輸入信號(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 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 (1.7) (1.8) Au(Sl); Auo S2 Sl 1 Q -- S ，一? 其中：Sl （Q為品質(zhì)因數(shù)） ■c 第二章方案選擇及設(shè)計(jì) 2.1方案選擇 1 .濾波器的選擇 一階濾波

10、器電路最簡(jiǎn)單，但帶外傳輸系數(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)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感， 在這點(diǎn)上它 不如壓控電壓源型二階濾波器。 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。每一階低通電路或高通 電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，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 （⑴筋內(nèi)增益Av,以及品質(zhì)因數(shù)Q （二 階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元 件取值的參數(shù)

11、之?dāng)?shù)目，因此有許多個(gè)元件均可滿足給定的要求， 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)工作頻率范圍按照表 2-1初選電容值。 表2-1濾波器工作頻率與濾波電容取值的對(duì)應(yīng)關(guān)系 頻率c 1~10(Hz) 10~102 (Hz) 102~103 (Hz) 1~10 (kHz) _ _3 10~103 (kHz) 102~103 (kHz) 電容f 20~10(F) 10~0.1 (uF) 0.1~0.01 (uF) 104~103 (pF) 103~102 (pF) 2 10~10 (pF

12、)  4 .2電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 2.2.1 二階壓控低通濾波器電路及參數(shù)設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)圖: 1O011F U1A Cl HlOkfl 參數(shù)設(shè)計(jì): 將上式分母與表 圖2.1壓控電壓源二階低通濾波器 , ，一，.，、1 — 1歸一化傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式比較得： - = V2 Q (2.1) 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù): R4 Auo = Af =1 0=2 R3 (2.2) 1 2 濾波器的截止角頻率： C： : 2二fc=2二10 R1C1R2c2 (2.3) c 1 1 1 1 — (1 - Auo)— Q R1C1 R2C2 R2C

13、2 (2.4)  所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使得 九3 =1,根據(jù)市場(chǎng)能買到的器 R4 件，則可以取R4=R3=10kQ,然后由中心頻率計(jì)算公式可以取 Ci=C2=0.1uF,可以得 出電阻Ri=596.58k Q R4=1.06255k Q。.可以用2k Q的電位器代替，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要 求了。 2.2.2 無(wú)限增益多路反饋有源濾波器的電路及參數(shù)計(jì)算 電路設(shè)計(jì)圖: UiO- 1 U1A + 1 R5 R2 225.19L1 "lOOiiF 二 225.191^ U。 圖2.2無(wú)限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器 參數(shù)

14、設(shè)計(jì): 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù): Auo R3 R1 (2.5) 濾波器的截止角頻率: ■c ..R2R3C1C2 二2 二 fc (26) 根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使得 C1=C2,根據(jù)市場(chǎng)能買到的器件， 則可以取C1= C3=0.1uF,然后由中心頻率計(jì)算公式，電壓增益公式以及品質(zhì)因素的公 式計(jì)算參數(shù)，依據(jù)以上三個(gè)公式，取 fo=2kHz, Q=0.707, Aup=2。令R1=R2,可得: R1=R2=0.22519kQ, R3 =0.45038k Q而用R1,R2用2k Q的電位器調(diào)節(jié)，使得其等于 0.22519k Q,即可基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

15、第三章電路調(diào)試及結(jié)果分析 3.1 電路組裝與調(diào)試 電路實(shí)物圖如下： 圖3.1實(shí)物圖1 圖3.2實(shí)物圖2 通過(guò)元器件的排板和焊接等主要步驟得到如上濾波器電路后， 對(duì)所設(shè)計(jì)好的電路 進(jìn)行調(diào)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將電路按設(shè)計(jì)原理圖接好，觀察是否有波形出現(xiàn)并與仿真結(jié) 果波形圖進(jìn)行比較。若波形不正確，調(diào)節(jié)電路中的電位器，觀察示波器的波形，直到 出現(xiàn)正確的波形即可。若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)波形失真等現(xiàn)象，也可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的大 小將其糾正。 3.2 測(cè)試結(jié)果與分析 3.2.1 仿真結(jié)果圖 當(dāng)函數(shù)信號(hào)發(fā)生源輸入信號(hào)頻率為 1kHz時(shí)，輸出信號(hào)的波形圖如下: 圖3.3壓控二階濾波器輸出信號(hào) 圖3

16、.4無(wú)限增益多路負(fù)反饋濾波器輸出信號(hào) 當(dāng)函數(shù)信號(hào)發(fā)生源輸入信號(hào)頻率為 2kHz時(shí)，輸出信號(hào)的波形圖如下: 圖3.5壓控二階濾波器輸出信號(hào) 圖3.6無(wú)限增益多路負(fù)反饋濾波器輸出信號(hào) 當(dāng)函數(shù)信號(hào)發(fā)生源輸入信號(hào)頻率為 3kHz時(shí)，輸出信號(hào)的波形圖如下: 圖3.8無(wú)限增益多路負(fù)反饋濾波器輸出信號(hào) 3.2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 表3-1壓控二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 輸入頻率f (kHz) 輸入電壓Uo (V) 輸出電壓Ui (V) 電壓增益Av 1 10 20 2 2 10 14 1.4 3 10 8 0.8 表3-2無(wú)限增益多路負(fù)

17、反饋二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 輸入頻率f (kHz) 輸入電壓Uo (V) 輸出電壓Ui (V) 電壓增益Av 1 10 20 2 2 10 14 1.4 3 10 8 0.8 3.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 在上述的二階低通濾波電路實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸入的信號(hào)頻率小于截止頻率 2kHz時(shí)， 其電路的電壓增益為2。即當(dāng)輸入的頻率是1kHz,其波形放大倍數(shù)為2。當(dāng)輸入信號(hào) 頻率為2kHz時(shí)，輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系是1.4倍。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為3kHz時(shí)，輸出 與輸入的倍數(shù)關(guān)系是0.8倍.即當(dāng)輸入信號(hào)大于截止頻率時(shí)，輸入信號(hào)逐漸趨于截止， 其增益趨于00濾波器的濾波效果已經(jīng)達(dá)到

18、，截至頻率是 2kHz。 第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)論 本次試驗(yàn)所得的二階有源低通濾波器輸入阻抗高， 輸出阻抗低，可提供一定的增 益，截止頻率可調(diào)。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，也經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)樵骷?shù)不對(duì)而導(dǎo)致波形 失真的狀況，所以在本次試驗(yàn)中，選擇使用電位器。并且每個(gè)方案電路中只使用了一 個(gè)2kQ的電位器，便于在適當(dāng)范圍內(nèi)對(duì)波形進(jìn)行調(diào)試，從而得到正確的截止頻率， 使得所設(shè)計(jì)的濾波器性能更佳。在設(shè)計(jì)方案的排板焊接上，本次實(shí)驗(yàn)中只采用了一塊 電路板和一個(gè)LM324芯片。將兩個(gè)方案電路焊于芯片的左右兩端，不僅提高了元器 件的使用效率，還使濾波電路具有美觀且便于實(shí)驗(yàn)操作及調(diào)試。 參考文獻(xiàn) [1] .彭介華，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M],北京：高等教育出版社，1997 [2] .謝自美，電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[M],武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004 [3] .劉涇，電路和模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M],成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.8 [4] .王港元，電工電子實(shí)踐指導(dǎo)（第四版）[M],南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2009 [5] .康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）[M],北京：高等教育出版社，2006.1 13