電子電路仿真及設計CDIO三級項目設計說明書二階低通濾波器的設計

1、（科信學院）信息與電氣工程學院電子電路仿真及設計cdio三級項目設計說明書（2013/2014學年第二學期）題 目 ： _ _ _ _ _ 專業(yè)班級 ： 通信工程12級一班 學生姓名 ： 崔吟爽、仇 碩、李曉娜、 肖俊強 潘亞男、李方方、劉盛瑞、 王孟宇 學 號： 1203121、 120312101、 120312102 120312103、120312104、 120312105 120312106、 120312107、 指導教師 ：李曉東、付佳 、王鵬 設計周數 ： 2周 2014年7月11日目錄第一章 課程設計任務及要求51.1設計任務51.2設計要求5第二章 系統(tǒng)設計方案選擇52.

2、1 總方案設計52.2子框圖的作用62.3 方案選擇6第三章 系統(tǒng)組成及工作原理73.1芯片介紹73.2實際濾波器的頻率特性73.3二階有源低通濾波器9第四章 單元電路設計、參數計算、器件選擇104.1二階有源低通濾波器設計及參數計算1011第五章 電路組裝及調試125.1壓控電壓源低通濾波電路1213第六章 總結與體會16參考文獻17附錄二 元件清單19附錄三 實物圖201.課程設計任務及要求1.1設計任務1、學習rc有源濾波器的設計方法；2、由濾波器設計指標計算電路元件參數；3、設計二階rc有源濾波器(低通)；4、掌握有源濾波器的測試方法；5、測量有源濾波器的幅頻特性。1.2設計要求截止頻

3、率增益av=22.系統(tǒng)設計方案選擇2.1 總方案設計 2.1.1方案框圖rc網絡反饋網絡放大器 圖1 rc有源濾波總框圖2.2子框圖的作用（1）rc網絡的作用在電路中rc網絡起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。（2）放大器的作用電路中運用了同相輸入運放，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，廣泛用于前置放大級。（3）反饋網絡的作用 將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中電路稱為反饋網絡，反饋網絡分為正、負反饋。2.3 方案選擇2.3.1濾波器的選擇一階濾波器電路最

4、簡單，但帶外傳輸系數衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數變化比較敏感，在這點上它不如壓控電壓源型二階濾波器。2.3.2級數的選擇濾波器的級數主要根據對帶外衰減特殊性的要求來確定。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。2.3.3.元器件的選擇一般設計濾波器時都要給定截止頻率fc (c)帶內增益av，以及品質因數q（二階低通或高通一般為0.707）。在設計時經常出現待確定其值的元件數目多于限制元件取值的參數之數目，因此有許多個元件均可滿足給

5、定的要求，這就需要設計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據工作頻率范圍按照表1.1.3初選電容值。表1.1.3 濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應關系f(110)hz（10102）hz（102103）hz（110）khz（10103）khz （102103）khzc(2010)f（100.1）uf（0.10.01）uf（104103）pf（103102）pf（10210）pf3.系統(tǒng)組成及工作原理3.1芯片介紹ua741集成運放圖2 ua741管腳圖ua741管腳圖為圖2。ua741芯片是高增益運算放大器，常用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應用

6、.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。第2管腳是負輸入端；第3管腳是同相端輸入端；第4和第7管腳分別為負直流源和正直流源輸入端；第6管腳為輸出端；第8管腳是懸空端；第1管腳和第5管腳是為提高運算精度。在運算前，應首先對直流輸出電位進行調零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當運放有外接調零端子時，可按組件要求接入調零電位器，調零時，將輸入端接地，調零端接入電位器，用直流電壓表測量輸出電壓uo，細心調節(jié)調零電位器，使uo為零（即失調電壓為零）。如果一個運放如不能調零，大致有如下原因：（1）組件正常，接線有錯誤。（2） 組件正常，但負反饋不夠強，為此可將其短路，觀察是否能調零。（3）

7、組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現自鎖現象，因而不能調零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復正常，則屬于這種情況。（4）組件正常，但電路有自激現象，應進行消振。（5）組件內部損壞，應更換好的集成塊3.2實際濾波器的頻率特性實際設計中所能得到的濾波器的頻率特性與理想濾波器的頻率特性之間存在著一些顯著的差別，現以低通濾波器的頻率特性為例進行說明。1）理想濾波器的特性：設濾波器輸入信號為，信號中混入噪音，它們有不同的頻率成分。濾波器的單位脈沖響應為。則理想濾波器輸出為： （3-1）即噪音信號被濾除，而信號無失真只有延時和線性放大。對(3-1)式作傅里葉變換得： （3-2）假定

8、噪音信號被濾除，即 （3-3）將（3-3）式代入（3-2）式整理得：假定信號頻率成分為：，噪音頻率成分為。則完成濾波的理想低通濾波器特性是：圖3 理想低通濾波器頻率特性h(t)t圖4 理性濾波器的單位脈沖響應() （3-4）即 系統(tǒng)的單位脈沖響應為： （3-5）理性低通濾波器的頻率特性如圖3所示，單位脈沖響應的波形如圖4所示。2） 實際濾波器特性通 帶阻帶過渡帶圖5 實際濾器的頻率特性理想濾波器具有非因果、無限長的單位脈沖響應和不連續(xù)的頻率特性，要用穩(wěn)定的線性時不變（lti）系統(tǒng)來實現這樣的特性是不可能的。工程上是用脈沖響應為有限長的、因果的、穩(wěn)定的線性時不變系統(tǒng)或具有連續(xù)頻率特性的線性時不變

9、系統(tǒng)來逼近理想特性。在滿足一定的誤差要求的情況下來實現理想濾波特性。因此實際的濾波器的頻率特性如圖5所示。其中截止頻率阻帶起始頻率過渡帶寬在通帶內幅度響應以的誤差接近于1，即為阻帶起始頻率，在阻帶內幅度響應以小于的誤差接近于零，即為了使逼近理想低通濾波器的方法成為可能，還必須提供一帶寬為的不為零的過渡帶。在這個頻帶內，幅度響應從通帶平滑的下落到阻帶。3.2二階有源低通濾波器基礎電路如圖6所示圖6 二階有源低通濾波基礎電路它由兩節(jié)rc濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當信號頻率時（ 為截止頻率），電路的每級rc 電

10、路的相移趨于-90，兩級rc 電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容c 引到集成運放同相端的反饋是負反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數減小，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，只允許低頻端信號通過。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數為： 令8 稱為通帶增益 稱為等效品質因數 稱為特征角頻率 則-3.（1)注 濾波電路才能穩(wěn)定工作。4.單元電路設計、參數計算、器件選擇1q=24.1壓控電壓源低通濾波器設計及參數計算將上式分母與表一歸一化傳遞函數的分母多項式比較得： 通帶內的電壓放大倍數： 濾波器的截止角頻率： 所以

11、根據上述推導公式可得： c的容量不易超過1uf 。因大容量的電容器體積大，價格高，所以選擇10nf的電容。電路設計時應該使得,根據市場能買到的器件，則可以取，可以取，然后由中心頻率計算公試,可以得出電阻，基本達到設計要求了。仿真電路圖如下所示：圖8 壓控電壓源低通濾波 5.電路組裝及調試5.1壓控電壓源低通濾波電路 圖9 壓控電壓源低通濾波器當輸入的信號頻率小于截止頻率2000hz，其電路的增益為2.即其波形的峰峰值是兩倍圖10 6.總結與體會課程設計做了10天，我們學會了很多東西，培養(yǎng)了動手能力也為我們以后的工作打下了良好的基礎。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論

12、知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多專業(yè)知識問題，最后在老師的辛勤指導下，終于游逆而解。同時，在老師的身上我們學也到很多實用的知識，在次我們表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝！7.參考文獻1童詩白 華成英 編 模擬電子技術基礎m 高等教育出版社 20082彭介華 編 電子技術實驗與課程設計m 高等教育出版社 20033. 青木英彥（日） 著 周難生 譯 模擬電路設計與制作m 科學出版社 19984. 王港元 編 電工電子實踐指導m 江西科學技術出版社 20005.徐發(fā)強等. rc二階有源濾波器的新型實驗方法j 現代電子技術,2008,26. 許素貞.杜群