二阶低通滤波器的设计

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：201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； 截止频率错误！未找到引用源。； 增益错误！未找到引用源。；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、周二、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.评阅口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Multisiml2.0,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，滤波目录前言 1第一章 系统设计方案选择 21.1总方案设计 21.2 子框图的作用 21.3 方案选择 3第二章 系统组成及工作原理 42.1压控电压源二阶有源低通滤波器 42.2无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器 5第三章 单元电路设计、参数计算、器件选择 63.1 压控电压源二阶有源低通滤波器设计及参数计算 63.2 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 6第四章 电路组装及调试 84.1压控电压源二阶有源低通滤波器电路 84.1.1 调节方法 84.1.2 理论数据 84.1.3 实际测试数据 84.1.4 结果分析 84.2无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器电路 94.2.1 调节方法 94.2.2 理论数据 94.2.3 实际测试数据 94.2.4 结果分析 104.3 实物图 10第五章 总结 11参考文献 12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，因而其品质因数错误！未找到引用源。QL（定义Q “L/ r错误！未找到引用源。，r错误！未找到引用源。为电感的损耗电阻）LLL低于1000，而电容的品质因数Q （定义Q =C/g错误！未找到引用源。，g错误！CCCC未找到引用源。为电容的损耗电导）可高达10000，工作频率越低， Q 错误！未找到L引用源。就越小；第二，低频工作时的电感通常都要用铁磁材料为芯，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ViC Vo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. 放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益A二1 + R2错误！未指定书签。同相放V R1 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（ C ）带内增益Az，以及品质因数Q （二 cV阶低通或高通一般为 0.707）。在设计时经常出现待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/Hz10010i101102102103103104104105105106c/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 o 时（f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 O-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：A(s)二VO -V (s)iAVF1 + (3 - A )sCR)(sCR)2VF错误！未找到引用源。2.1)通带增益： 错误2.2）未找到引用源A 二 Ao VF等效品质因素：错误！未找到引用源13 - AVF2.3)错误2.4)！未找到引用源。1O =C RC则特征角频率：A2错误！未找到引用源A(s)二V (s)O -V (s)i(2.5)注：当3- A 0，即A 3时，滤波电路才能稳定工作。VFVF2.2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q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)错误！ 未找到引用源。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=f附近的频率特性幅度。O 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，所以该电路叫做无 限增益多路反馈低通滤波电路。错 误 ！ 未 找 到 引 用 源 。A (s)=uCC R Ri i rq2lS2 +(+)s+C R R R CC RR11231 2 1 22.6)错误！未找到引用源Au(SL)=A1 1S2 + S +1L Q L2.7)注：错误！未找到引用源。s =丄,Q为品质因数L OC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Q = 0.707通带内的电压放大倍数：RA = 1 + 4 = 2VR3滤波器的截止角频率：3.1)3.2)错误！未找到引用源（3.3）错误！未找到引 用源（3.4）根据上述公式可得：R4 = 1,可取 R = R = 1kQR343由表1.1可取C = C = 0.1卩F，可算出1CCRR12 12=2兀f = 2兀灯03C11+ CR CR1 1 1 2+ (1- A )丄v CR22电阻R = 596.580可由2k0错误！未找到引用源。电位器代替电阻错误！未找到引用源。，可取lkQ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：二 2兀 X103：CC RR12 123.6)根据上述公式可得：由表1.1可取错误！未找到引用源。C二C二0.1卩F12有中心频率计算公式、（3.5）、以及品质因数计算公式可得：取错误！未找到引用源。fC=2kHz, Q=0.707错误！未找到引用源。，AV=2错误! 未找到引用源。求得：错误！未找到引用源。R二R二225.190 , R1可由2k0错误！未找到引用源。电位器1 2 1代替，R2错误！未找到引用源。由240O错误！未找到引用源。电阻代替错误！未找 到引用源。R二450.380，取4500错误！未找到引用源。可由6个1000错误！未找 3到引用源。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错误！未找到引用源。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1kHz20V2kHz14V3kHz8V4kHz6V6kHz4V4.1.4结果分析实验截止频率为2kHz错误！未找到引用源。，当输入信号频率低于2kHz错误！未找 到引用源。时，电路增益基本为2；当输入信号频率高于2kHz错误！未找到引用源。 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AExl Ttg . 壬二-riri536.5BD ：1lO6225kDfoOnFLM324ADU1A10KQ:Cl 1OOhF图 4.4 输入信号频率为 3kHz图 4.3 输入信号频率为 2kHz4.2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。4.2.3实际测试数据表4.2无线增j益多路反馈电路实际数据输入频率输出电压输入电压1kHz20V10V2kHz14V3kHz7V4kHz4V6kHz2V4.2.4结果分析实验截止频率为2kHz错误！未找到引用源。当输入信号频率为1kHz错误！未找到 引用源。时，电路增益为2；当输入信号频率为1kHz错误！未找到引用源。电路增 益为1.4；当输入信号频率高于2kHz错误！未找到引用源。，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 4.7 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实现增益倍数变化程度。由于学所只是限制，以后完全可以进一步用 更高阶滤波器实现更好、有效的滤波作用。参考文献1. 杨晓慧，白雪梅编著.电子线路学习指导M.北京.国防工业出版社.2006.82. 吴丙申，卞祖富编著.模拟电路基M.北京.北京理工大学出版社.1997.13. 康华光主编.电子技术基础M.北京.高等教育出版社.2006.14. 张伟主编.电路设计与制板M.北京.人民邮电出版社.2007.75. 邱关源.电路（第五版）M.北京高等教育出版社.2006.56.