基于集成運放的通用二階濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)[精選]

1、基于集成運放的通用二階濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要從換能器中輸出的信號非常微弱（在微伏（v）或毫伏（mv）量級），并呈現(xiàn)很小的能量。這些信號通常非常小，以至于不能執(zhí)行任何有用的功能。如果信號的幅度比較大（福特量級），則信息處理就變得比較簡單。放大器幾乎用于每一個電子系統(tǒng)中，用來提高微弱信號的幅度。放大器由一個或多個的放大器件組成。放大器的復(fù)雜度依賴于放大器件的數(shù)量。為了能夠分析由很多放大器組成的復(fù)雜電路，每一個放大器的端口行為模型則是必須的。而這次的設(shè)計主要是以通用集成運算放大器為基礎(chǔ)，通過查閱資料和動手實驗設(shè)計并實現(xiàn)一個通用二階濾波器，使電路能夠?qū)崿F(xiàn)低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等功能，

2、在不改變電路拓撲條件下，電路還能被調(diào)節(jié)成一個正弦振蕩器。文中會使用一種叫multisim的仿真軟件,使用計算機的精準(zhǔn)性來驗證分析設(shè)計電路的正確性并能給出振蕩波形。關(guān)鍵詞：集成運放；通用濾波器；二階；multisim；設(shè)計研究abstractthe signal output from the transducer is very weak (on the order of microvolts (v) or mv (mv) and presents little energy. these signals are usually so small that they can not perfo

3、rm any useful functions. if the signal amplitude is relatively large (ford order), the information processing becomes relatively simple. the amplifier is used in almost every electronic system to increase the magnitude of the weak signal. the amplifier consists of one or more amplifying devices. the

4、 complexity of the amplifier depends on the number of amplifiers. in order to be able to analyze the complex circuit composed of many amplifiers, each ports port behavior model is necessary.this design is based on the universal integrated operational amplifier, through access to information and hand

5、s-on design and implementation of a common second-order filter, the circuit can achieve low-pass filter, high-pass filter, band-pass filter, band filter and other functions, the circuit can be tuned to a sinusoidal oscillator without changing the circuit topology. the use of a simulation software ca

6、lled multisim, the use of the accuracy of the computer to verify the correctness of the analysis of the design circuit and can give the oscillation waveform.key words: integrated op amp；general purpose filter；two order;multisim；design research目錄toc o 1-3 h uhyperlink l _toc9060 1 引言1hyperlink l _toc

7、27475 2 濾波器簡介2hyperlink l _toc164 2.1 濾波器的分類2hyperlink l _toc4935 2.2 濾波器的幅頻特性4hyperlink l _toc21961 3 集成運放及其基本組合電路5hyperlink l _toc2159 3.1 集成運放的簡介5hyperlink l _toc1446 3.1.1 集成運放的基本組成及功能5hyperlink l _toc888 3.1.2 集成運放的傳輸特性6hyperlink l _toc19151 3.1.3 集成運放的理想分析與特點7hyperlink l _toc3796 3.2 集成運放原理電路分

8、析7hyperlink l _toc8020 3.2.1 同相放大器8hyperlink l _toc6166 3.2.2 反相放大器93.3.3 積分器10hyperlink l _toc9475 3.3.4 求和器10hyperlink l _toc5051 4 基于集成運放的通用二階濾波器10hyperlink l _toc4684 4.1 方案框圖10hyperlink l _toc17820 4.2 各部分電路的作用11hyperlink l _toc12567 4.2.1 通用濾波器的作用11hyperlink l _toc26389 4.2.2 放大器的作用11hyperlink

9、 l _toc441 4.2.3 反饋網(wǎng)絡(luò)的作用11hyperlink l _toc18981 4.3 集成運放的通用二階濾波器電路圖的設(shè)計12hyperlink l _toc32077 5 仿真驗證敘述及效果分析13hyperlink l _toc32320 5.1 仿真軟件multisim簡介13hyperlink l _toc11541 5.2 仿真電路13hyperlink l _toc18619 6 結(jié)語16hyperlink l _toc1475 7 謝辭17hyperlink l _toc17774 參考文獻181 引言放大器是在不改變輸入信號波形的前提下，能使其能量增大的有源二

10、端子電路的總稱。在歷史上，總以“電壓”作為電子線路中的信號，叫做電壓模電路。自20世紀(jì)60年代以后，以“電流”作為信號的電路迅速發(fā)展，叫做電流模電路。集成運放最早應(yīng)用于信號的運算，它可對信號完成加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、微分、積分等基本運算，所以稱為運算放大器，但是隨著集成運放技術(shù)的發(fā)展，各項技術(shù)指標(biāo)不斷改善，價格日益低廉，而且制造出適應(yīng)各種特殊要求的專用電路；目前，集成運放的應(yīng)用幾乎滲透到電子技術(shù)的各個領(lǐng)域，除運算外還可對信號進行處理、變換和測量，也可用來產(chǎn)生正弦信號和各非正弦信號，成為電子系統(tǒng)的基本功能單元，集成運放最早用于模擬電子計算機中，以實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運算1。集成電路的體積小，性能

11、卻很好?，F(xiàn)在的集成運放可以代替分立晶體管，構(gòu)成各種放大倍數(shù)相當(dāng)穩(wěn)定的放大器，也可用于濾波、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、振蕩之中。另外，由于他的放大倍數(shù)極高，因而還可用于電壓比較器等非線性信號處理電路中運算放大器中另一個重要組成部分就是通用二階濾波器。濾波器是一種選頻電路,對于一定頻率范圍內(nèi)的信號衰減很小，使其順利通過；對此頻率范圍以外的信號衰減很大，使其不易通過2。濾波器應(yīng)用范圍很廣，比如在信號處理電路中，低通濾波器常用來防止高頻噪聲對系統(tǒng)的干擾；在電源系統(tǒng)中，常常使用帶阻濾波器來抑制50hz或60hz的工頻噪聲等。我國對于濾波器研制和生產(chǎn)方面還需要進一步的加強。而今天通過我大學(xué)的學(xué)習(xí)和仔細的查閱資料對基于集

12、成運放的通用二階濾波器此論題產(chǎn)生了興趣并將我收集的資料和實驗結(jié)果寫下。2 濾波器簡介顧名思義，所謂濾波器，就是能夠過濾波動信號的器具,在電子線路中，濾波器的作用是從具有不同頻率成分的信號中，取出（即過濾出）具有特定頻率成分的信號;濾波器一詞的英文是“filter”3。在電子工程中，濾波器是一個通過特定帶寬的信號頻率同時阻止或衰減帶外的信號頻率的頻率選擇電路。隨頻率變化的這種特性行為稱為頻率響應(yīng)，并以傳遞函數(shù)h（jw）表示，這里w=2f是角頻率以弧度/秒(rad/s)計，而j是虛數(shù)單位（j=-1）。濾波電路在無線電通信、自動控制和電子測量中運用十分廣泛。2.1 濾波器的分類根據(jù)制造工藝和器材選用

13、的不同，電子工程中的濾波器主要分為兩大類：無源濾波器和有源濾波器。兩者相比，有源濾波電路具有能放大信號且?guī)ж撦d能力強的優(yōu)點，在用運算放大器組成有源濾波時，其通頻帶應(yīng)遠寬于濾波器的工作頻帶。由于放大器總有滯后相移，尤其是通用型運算放大器帶寬較窄，在其相位不可忽略時，若要有較大的環(huán)路增益，就容易自激，因此有源濾波器得到廣泛應(yīng)用。圖1 有源濾波器原理圖通過一定的方式（如p-q、d-q、ip-iq）檢測出諧波，然后使得apf跟隨指令電流值（也即檢測出來的諧波），可以采用滯環(huán)控制、spwm控制，產(chǎn)生與諧波相反的補償電流，這樣就可以使網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量降到很低。圖2 無源濾波器把（無源）濾波器看成一個二端

14、口，那么從 a 處和 b 處向右看，會得到不同的阻抗。這兩個阻抗之比決定了信號源輸出的能量有多少消耗在了負載上，有多少消耗在了濾波器內(nèi)部。當(dāng)然這二者消耗的能量之和與信號源輸出的能量相等。有源濾波器的分析會復(fù)雜一些，因為濾波器內(nèi)部的電源也會輸出能量。對于信號而言，濾波器通常表現(xiàn)為與信號做卷積。若其頻域在=0時積分為1，變現(xiàn)為低通；若其在趨近于無窮大時積分為0，變現(xiàn)為高通，考慮到實際器件會有高頻限制，可看作帶通。根據(jù)通帶和阻帶所處范圍的不同可分為：圖3 低通濾波器(lpf)低通響應(yīng)用一個稱之為截止頻率wc的頻率來表征，而有丨h(huán)丨=1，w0，則uo0；up 反相輸入端表示輸入電壓與輸出電壓相位相反，

15、若un 0，則uo0；un電壓的傳輸特性曲線如圖11，橫坐標(biāo)表示輸出電壓uo，縱坐標(biāo)表示輸入電壓ui。電壓傳輸特性斜率電壓放大倍數(shù)為：(2)輸出幅值和輸入幅值之比，其中在飽和區(qū)域為水平線性關(guān)系，說明輸出電壓uo不跟隨輸入電壓 (3)的變化而變化，而是恒定值+uom(或-uom)，由于差模開環(huán)放大倍數(shù)aod非常高，所以線性區(qū)圖像還是非常窄，只有當(dāng)ui =|up - un |,才相對穩(wěn)定。3.1.3 集成運放的理想分析和特點在各種應(yīng)用電路中，集成運放可能工作在線性區(qū)或非線性區(qū)。在一般情況下，當(dāng)集成運放外接負反饋時，工作在線性區(qū)；當(dāng)集成運放處于開環(huán)或外接正反饋時，在分析各種應(yīng)用電路時，往往認為集成運

16、放是理想的，輸入電阻為無窮大、輸出電阻為0、共抑制摸比為無窮大及開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大。它有以下幾個特點：1、集成運放中它的電壓放大倍數(shù)非常大，一般為10的四次方到六次方倍。2、集成組件的參數(shù)是高度可分散的，但同一硅晶片上相鄰組件的對稱性更好，所以一般都采用要求元件參數(shù)對稱的差分放大電路，以克服直接耦合電路中存在的溫漂問題。3、集成運放采用直接耦合方式。4、在集成電路中，為了彌補單個晶體管性能上的不足，經(jīng)常采用復(fù)合管。3.2 集成運放原理電路分析圖12 集成運放電路原理圖在分析電路原理圖時，一般應(yīng)首先按信號的流向找出輸入級、中間級、輸出級，并確定偏置電路，進行合理分塊，然后再分析各塊的功能，

17、最后再縱觀整體，總結(jié)集成運放的性能特點。3.2.1 同相放大器圖13 同相放大器 圖14 跟隨器圖13為由集成運算放大器構(gòu)成的同相放大器，特點是輸入信號作用在同相輸入端，而反饋信號作用在反相輸入端。通過vo=avd=a(vp-vs)可以求出vo,然而必須導(dǎo)出對vp和vs的表達式。由直觀檢查看出vp=vi利用分壓公式得出(4)或者(5)令vo=a(vp-vs),得到(6) 將相關(guān)項進行組合并對比值vo/vi(記作a)求解得到(7)集成運算放大器電路的增益a和基本運算放大器的增益a是不同的。若令rf=0,r1，如圖14所示，則由于vs=vo，因而電壓增益avf1，表明vo跟隨vs而變化，類似于共集

18、放大器，故有同相跟隨器之稱，顯然，它的性能遠比共集放大器好。3.2.2 反相放大器圖15 反相放大器另一個常見的結(jié)構(gòu)是反相放大器。rf將輸出電壓反饋到運算放大器的反相端。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有vs=r1is-vd （8）-vd=rfif+vo (9)對于反相放大器常規(guī)工作時，電路不要求rx。然而，rx在同相端建立了一個非零的電壓，任何與運算放大器補償參數(shù)有關(guān)的信號將同時出現(xiàn)在同相端和反相端。在反相端采用基爾霍夫電流定律，得到is=if+ii (10)對于理想運放，vd0，ii0。有vs=r1is (11)根據(jù)式子rfif+vo=0,得到電流反饋(12)因此，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為)vs

19、(13)這樣得到運算放大器電路的閉環(huán)增益(14)如果輸入的是正弦的話，電路將引入一個相位倒置，或等效的說有180的相移。3.3.3 積分器積分器就是能將輸入信號進行積分運算的元件,把集成運算放大器接成能實現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比的放大電路6。圖16 電路rx用來減小運算放大器的不完美性帶來的影響。rx的值應(yīng)等于r1的大小。vc（t=0）=vco表示電容電壓的初始值。這樣輸出電壓為輸入電壓vs的積分。積分電路作為模擬電子電路的基本組成單元，積分器的適用范圍十分寬廣。它不僅可以用于控制和測量的電路模式中，同時也能適用于時間電路模塊中的延時和定時功能中。3.3.4 求和器求和器又名加法

20、器。在集成運放電路中，把組成的加法器的輸出電流相加并作用到一個負載的電阻上，由此而得到的電路輸出電壓，可以看做是由幾個輸入的電壓變量在作求和計算的一種電路。4 基于集成運放的通用二階濾波器以狀態(tài)變量和雙二階濾波器一類為代表多運算放大器濾波器是通過把工作從無源器件轉(zhuǎn)移到有源器件，從而來提高濾波器的性能和擴大它的用途。通過采用更多的元件，這類濾波器能實現(xiàn)更易調(diào)節(jié)并降低對無源器件的靈敏度，也沒有過大的元件值分布,這種濾波器能同時提供多種響應(yīng)，因而被稱為通用濾波器7。4.1 方案框圖圖17 通用二階濾波器總框圖4.2 各部分電路的作用4.2.1 通用濾波器的作用在電路中，通用二階濾波器可根據(jù)研究和實驗

21、方向選取任意濾波器。濾波器通常是主要由電阻和電容組成，通過濾掉不需要的信號從而產(chǎn)生不一樣的波形。4.2.2 放大器的作用放大器可以看作是由輸入端口和輸出端口組成的二端口網(wǎng)絡(luò)。通常，輸入端的一端與輸出的一端相連形成“共模地”。輸出電壓（或電流）相對于輸入電壓（或電流）以“增益參數(shù)”來表示。如果輸出信號直接正比于輸入信號，則輸出是輸入信號的原樣復(fù)制，這樣的放大器稱“線性放大器”。如果在輸出波形中有任何改變，則認為有“失真”，這是不希望的。4.2.3 反饋網(wǎng)絡(luò)的作用反饋通常應(yīng)用在放大器電路中。一個和輸出成正比的反饋信號與輸入或一個參考信號進行對比，以便最終從一個放大器獲得一個期望的輸出。反饋網(wǎng)絡(luò)分為

22、正反饋和負反饋兩類。運算放大器總有一定的輸出電阻，且有不可忽視的相移。對正反饋環(huán)路，可能使有屬性復(fù)雜的輸出阻抗。因此，運算放大器先經(jīng)電壓跟隨器隔離，再接通環(huán)路。4.3 基于集成運放的通用二階濾波器圖18 通用濾波器電路使用opa861構(gòu)成的通用濾波器電路如圖18所示，電路傳輸特性：(15)使用濾波器電路可以構(gòu)成不同類型的濾波器，電路形式和設(shè)置如下：低通濾波器：設(shè)置r2=r3=高通濾波器：設(shè)置r1=r2=帶通濾波器：設(shè)置r1=r3=帶阻濾波器：設(shè)置r2=，r1=r3圖19 混合集成的通用濾波器圖19是一種混合集成的通用濾波器的內(nèi)部電路。圖中的數(shù)碼是引腳號。圖左側(cè)的放大器a3用作相加放大器。在內(nèi)部

23、，設(shè)有電阻r3=r4=20k及r1=10k。然后按照控制電路q值的要求，通過引腳1外接一個電阻。如有需要，還要用前置放大器（preamplifier）a4作為信號源與接的那個電阻之間緩沖隔離電路。a4的輸出阻抗應(yīng)遠低于那個電阻。中間和右側(cè)的放大器（a1和a2）用作反向積分器，內(nèi)部已配置了反饋電容c（220pf）。因此，只需在引腳3與14及引腳13與7之間分別外接r。若我們設(shè)置特征頻率為50hz，則有(16)a2和a3的同相輸入端已連接于內(nèi)部的“地線”，但必須通過說明書規(guī)定的引腳與印刷電路板上的“地線”相連。而反饋電容的大小是分布電容的數(shù)十倍，因而避免了分布電容的影響。按以上的計算，積分器的電阻

24、數(shù)量級僅為10k，與內(nèi)部電阻的數(shù)量級相同。為不致引起感應(yīng)干擾，產(chǎn)生較強的噪聲和過大的失調(diào)，即使特征頻率較低，也不宜用過大的電阻。對于這種情況，宜先在引腳14與13及7與5之間分別外接恰當(dāng)?shù)膬?yōu)質(zhì)電容，在選用適當(dāng)?shù)碾娮琛? 仿真驗證敘述及效果分析5.1 仿真軟件multisim簡介multisim用軟件方法虛擬電子與電工元器件以及電子與電工儀器儀表，從而實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”此次設(shè)計的通用二階濾波電路將通過multisim的仿真來實現(xiàn)相對應(yīng)的功能，使實驗結(jié)果得到驗證。5.2 仿真電路根據(jù)電路原理圖，在multisim繪圖界面放置所需的元器件以及測試儀器，完成電路的連接。電路原理圖完

25、成之后運用進行仿真。圖20 仿真電路圖截取帶通濾波器電路圖進行分析。圖21 帶通濾波器仿真圖，r3、r4為10k，r5、r6為20k，c1、c2、c3、c4為10nf。數(shù)據(jù)理論值：二階帶通濾波器的帶通增益：aup=aup1+aup2=4 (17)高通濾波器的上限截止頻率：(18)低通濾波器的下限截止頻率：(19)濾波器測量示值：圖22 仿真波形圖圖中顯示，輸入信號頻率為200hz,幅度為12v。紅色表示的為輸入信號，幅度相對較大，橙色表示的為輸出信號，幅度相對較小。圖22顯示，在中心頻率的附近，輸出信號的幅度大小是輸入信號的4倍左右。然后調(diào)節(jié)輸入頻率，改變參數(shù)后分別為500hz,1khz,1.

26、5khz,2khz，2.5khz，示波器顯示輸入頻率在800hz-1.5khz。說明此濾波器的通帶為800hz-1.5khz。6 結(jié)語這次畢業(yè)設(shè)計，是我通過大二大三對模擬電子電路基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，對濾波器有了一定的認識，對于電子電路有著足夠的興趣與熱愛，所以選擇了這個課題。經(jīng)過這一段時間的努力本次論文課程設(shè)計終于完成了，但是現(xiàn)在回想起來做課程設(shè)計的整個過程，自己深有感觸，其中有苦也有甜，有艱辛同時又充滿樂趣，不過樂在其中。這次的論文設(shè)計利用了老師交給我們的所有知識，還有我們沒有接觸過的知識，雖然難，但我們逐步攻克，最終取得了勝利。通過這半年的學(xué)習(xí)與設(shè)計，使我感受頗多，我們不僅要學(xué)好課本知識，將書本知

27、識與實踐相結(jié)合也非?？简炍覀兊哪芰?。俗話說：櫻桃好吃樹難載，不撒心血花不開。這段時間經(jīng)常在圖書館和實驗室之間來回走動，確實學(xué)到了不少東西。大學(xué)的生活與學(xué)習(xí)接近了尾聲，在這個畢業(yè)設(shè)計中，我也發(fā)現(xiàn)了自己身上的一些問題，比如對待問題不夠有耐心，自己對知識掌握的不牢固，心情有的時候很郁悶很煩躁。但最終還是在教師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下設(shè)計出了基于集成運算的通用二階濾波器。以后的學(xué)習(xí)生活中，我會牢記這些，讓自己變得更好更有能力。7 謝辭經(jīng)過這段時間的努力，畢業(yè)設(shè)計最終完成，在教師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下設(shè)計出了基于集成運算的通用二階濾波器，對濾波器有了更深層次的認識。通過此次畢業(yè)設(shè)計，既檢查了大學(xué)四年是否真正學(xué)到了知識，是否能夠?qū)⒗碚撝R與實踐結(jié)合起來，同時又鍛煉了自己處理問題的能力。這次的畢業(yè)設(shè)計，是我大學(xué)篇章里的最后一頁。往返于圖書館和實驗室之間，讓我的收獲到了不少，查漏補缺，對自己的專業(yè)知識有了更深一步的了解，讓我