有源低通濾波器設(shè)計報告

1、 桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計（論文）報告用紙 第 14 頁 共 14 頁 課程設(shè)計(論文)說明書題 目： 有源低通濾波器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 2010年 12 月 19 日摘 要低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。有源濾波器是指由放大電路及RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路，它實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。根據(jù)指標，本次設(shè)計選用二

2、階有源低通濾波器。關(guān)鍵詞：低通濾波器；集成運放UA741； RC網(wǎng)絡(luò)AbstractLow-pass filter is a component which can only pass the low frequency signal and attenuation or inhibit the high frequency signal . Ideal frequency response of the filter circuit in the pass band should have a certain amplitude and linear phase shift, and amp

3、litude of the resistance band to be zero. Active filter is composed of the RC network and the amplifier, it actually has a specific frequency response of the amplifier. Higher the order of the filter, the rate of amplitude-frequency characteristic decay faster, but more the number of RC network sect

4、ion, the more complicated calculation of device parameters, circuit debugging more difficult. According to indicators ，second-order active low-pass filter is used in this design .Key words：Low-pass filter； Integrated operational amplifier UA741； RC network,目 錄引言.31 電路原理及設(shè)計方案.3 1.1 濾波器的介紹31.2 有源濾波器的設(shè)

5、計.31.3 設(shè)計方案52 芯片介紹.62.1 運放UA741.63 multisim7輔助仿真及修正.74 制板及調(diào)試.84.1 DXP注意事項.84.2 制作pcb板的流程.84.3 注意事項.84.4 調(diào)試.84.5 測試結(jié)果和幅頻圖分析.9課設(shè)總結(jié).10謝辭.12參考文獻.13附錄.14引言課程設(shè)計是理論聯(lián)系實際的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生進行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計訓(xùn)練。本次課程設(shè)計主要注重的是電子電路的設(shè)計、仿真、安裝、調(diào)試、印制電路板等綜合于一體的一門課程，意在培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想方法以及思路，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴肅認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識與生產(chǎn)實踐

6、經(jīng)驗，分析和解決工程技術(shù)問題的能力。作為一名大學(xué)生不僅需要扎實的理論知識，還需要過硬的動手能力，所以認真做好課程設(shè)計，對提高我們的動手能力有很大的幫助做到。本次課設(shè)介于采用butterworth快速設(shè)計，采用查表法結(jié)合仿真，做板聯(lián)合實際調(diào)節(jié)。1 電路原理及設(shè)計方案1.1濾波器的介紹濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中的無用頻率，即抑制無用信號的電子裝置。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實際濾波器不能達到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，

7、本文主要著眼于幅頻響應(yīng)，而不考慮相頻響應(yīng)。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級聯(lián)而成。對于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由n/2節(jié)二階濾波器級聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由(n-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)。1.2 有源濾波器的設(shè)計有源濾波器的設(shè)計，就是根據(jù)所給定的指標要求，確定濾波器的階數(shù)n，選擇具體的電路形式，算出電路中各元件的具體數(shù)值，安裝電路和調(diào)試，使設(shè)計的濾波器滿

8、足指標要求，具體步驟如下：（1）根據(jù)阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數(shù)n。（2）選擇具體的電路形式。（3）根據(jù)電路的傳遞函數(shù)和歸一化濾波器傳遞函數(shù)的分母多項式，建立起系數(shù)的方程組。（4）解方程組求出電路中元件的具體數(shù)值。（5）安裝電路并進行調(diào)試，使電路的性能滿足指標要求。根據(jù)設(shè)計要求，我選擇巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是通帶到阻帶衰減較慢。選擇二階有源低通濾波器電路，即n=2。有源2階低通濾波器電路如圖1.1所示，壓控電壓源二階濾波器電路的特點是：運算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增

9、益容易調(diào)整。圖1.1 有源低通濾波器電路圖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ffc時（fc 為截止頻率），電路的每級RC 電路的相移趨于-90º，兩級RC 電路的移相到-180º，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(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，只允許低頻端信號通過。巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性為： ， n=1，2，3，. . . Butterworth的二階歸一化傳遞函數(shù)為：H（s）

10、=1/(s*s+1.414*s+1)；它的化歸一化傳遞函數(shù)可以表示成兩個多項式的比: A(s) （21）其中Auo為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，wC為截止角頻率，Q為品質(zhì)因子。從（1）式中可知，當w=0時，（1）式有最大值1；w=wC時，（1）式等于0.707，即Au衰減了3dB； ； （22）Av=1+R4/R3； （23）1.3 設(shè)計方案電路元器件值A(chǔ)v12468R11.422 1.1260.8240.6170.521R25.3992.2501.5372.0512.429R3開路6.7523.1483.2033.372R406.7529.44416.01323.602C10.33CC2C2C2C

11、注：電阻為參數(shù)k=1 時的值，單位為k取Av=1，根據(jù)公式（23），選擇R3，R40；為了得到相對應(yīng)的電阻值，需要算出K值，用K值乘以相應(yīng)的R得到R；而K=100/(fc*C) （24）注釋：C以uf作為單位，fc以hz為單位。K值不能太大，否則會使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常選擇1 K10.本次課程設(shè)計我們?nèi)=1，由公式（24）及表1中Av=1得fc=3000hz，C33.33nF，C111nF。取標準值為C=33nF，C1=11nF；R1=1.422*1=1.422取R1為1.4K，R2=5.399*1=5.399取R1為5.4k，R3=0，R4；驗證：由，代入數(shù)據(jù)，R1=

12、1.422k,R2=5.399k，C=33.33nF，C1=11nF，算出fc=3001.6Hz，符合要求。代入設(shè)計值得到的簡化電路圖1.2圖1.22 芯片介紹2.1 UA741集成運放圖2.1 UA741管腳圖UA741管腳圖為圖2.1。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(yīng)用.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(yīng)首先對直流輸出電位進行調(diào)零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當運放有外接

13、調(diào)零端子時，可按組件要求接入調(diào)零電位器，調(diào)零時，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器，用直流電壓表測量輸出電壓Uo，細心調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使Uo為零（即失調(diào)電壓為零）。如果一個運放如不能調(diào)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(diào)零。（3）組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，則屬于這種情況。（4）組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進行消振。（5）組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的集成塊。3 multisim輔助設(shè)計及修正由于元器店沒有11nf的電容賣，所以用10n

14、f的代替，相應(yīng)的電阻也改變通過multisim仿真軟件對上述電路進一步修正，修正的結(jié)果為圖3.1：圖3.1 multisim仿真電路圖其頻域仿真結(jié)果為圖3.2：圖3.2 multisim仿真得到的頻域圖上圖所示，仿真出來的效果達到設(shè)計要求。4 制板及調(diào)試4.1 DXP注意事項電路繪制的時候主要是注意各個元器件的封裝和實際買回來的元器件的管腳大小及距離相對應(yīng)，并有選擇地采用排針作為信號的輸入以及輸出和直流電源的輸入。元器件采用手動布局。布線采用手動布局，布線時需要設(shè)計好參數(shù)。一般線條大小為1mm，過孔為1mm，焊盤為1.8mm。電路板的長寬為：32mm×42mm。實際板子大小為：40m

15、m×62mm繪制好的pcb的sch電路圖看附錄。Pcb板請看附錄圖2.4.2 制作pcb板的流程設(shè)計好原理圖sch改變封裝繪制pcb板布局布線打印pcb圖紙印制銅板腐蝕銅板鉆孔焊接元器件測板修改電路測試（直到符合設(shè)計要求）。4.3 注意事項（1）電阻的標稱值應(yīng)盡可能接近設(shè)計值，這可以適當選用幾個電阻串并聯(lián)；盡可能采用金屬膜電阻電容及容差小于10%的電容，影響濾波器性能的主要因素是 R/R、C/C及運放的功能。（2）在測試過程中，若某項指標偏差較大，則根據(jù)設(shè)計表調(diào)整修正相應(yīng)元器件的值。（3）制作板子過程中，為了節(jié)省材料，節(jié)約資源，盡量用最少的東西完成最佳的功能。所以板子元器件布局緊密。

16、而提高抗干擾能力，布線時盡量短，少。焊盤過孔設(shè)計合理。4.4 調(diào)試對安裝好的電路按一下方法進行調(diào)整和測試：（1） 仔細檢查裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，接通電源。（2） 在電路的輸入端Vi=1V的正弦信號，慢慢改變輸入的信號的頻率，用示波器觀察輸出電壓的變化。在濾波器的截止頻率附近，觀察電路是否具有濾波特性，若沒有濾波特性，應(yīng)檢查電路，找出故障原因并排除之。（3） 若電路具有濾波特性，可進一步進行調(diào)試。觀測其截止頻率是否滿足設(shè)計要求，若不滿足設(shè)計要求應(yīng)根據(jù)公式，確定應(yīng)調(diào)整哪個元件才能使截止頻率既能達到設(shè)計要求又不會對其它的指標參數(shù)產(chǎn)生影響。然后觀測電壓放大倍數(shù)是否滿足設(shè)計要求，若不達到

17、要求，應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式調(diào)整有關(guān)的元件，使其達到設(shè)計要求。通過測試設(shè)計值點電路板的結(jié)果，對電路板進行修正以達到設(shè)計要求。設(shè)計指標：fc=3khz，增益為Av=1。輸入信號Vi=1V，觀察濾波器的截止頻率fc及電壓放大倍數(shù)Av。按要求理論測試結(jié)果應(yīng)為：在相對低頻時，如fc=100Hz，電壓放大倍數(shù)為1；在fc=3khz時，Av=0.707。4.5 測試結(jié)果和幅頻圖分析測試結(jié)果顯示fc=2.1khz，不符合截止頻率為3khz的要求。經(jīng)過多次分析，認為理論的設(shè)計的方法和實際的不符。并由 得知，假如實際的截止頻率比所要求的截止頻率小，則要求把電阻或者電容減??；假如實際的截止頻率比要求的大，則要求把電阻或者

18、電容增大。由于測試的截止頻率比設(shè)計要求的低，所以要提高它的截止頻率。假定電容不變了，則電阻值RWcfc和RWcfc；可以判定原來的電路的電阻值過大。介于個人經(jīng)驗不足，調(diào)試了好久，但是還是沒有滿足要求。后來用兩個滑動變阻器替換兩個電阻，逐步調(diào)試，結(jié)果當R2=1k，R1=2.7k時滿足要求。即R2=1k，R1=2.7k，C=33nf，C1=10nf，做出上述的改變之后各項設(shè)計要求基本達標。電路測試得到的輸出電壓和頻率Vofc關(guān)系表1：表1fc/khz，Vo/Vfc0.10.40.60.810.1.21.41.61.82.02.22.4Vo110.9880.9860.9460.9240.9080.8

19、900.8640.8440.8140.79fc2.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8Vo0.7580.7300.7080.6720.6420.6180.5860.5580.5360.5100.4920.476fc55.45.86.26.677.58.0Vo0.4440.4080.3760.3400.3120.30.2580.236它的頻率特性曲線為圖4.1：圖4.1 頻率特性曲線圖通過上圖可知，在輸入頻率為3khz之前，輸出的電壓值大于0.708V，即在低頻段時Q值大于0.707，衰減速率符合設(shè)計要求。在輸入頻率為3khz時，衰減因子Q為0.707左右。課設(shè)總

20、結(jié)利用公式法設(shè)計有源二階低通濾波器，要求解多元高階方程組；若采用查表法求解電路參數(shù)，就簡單得多。因此應(yīng)盡量采用查表法求解電路參數(shù)，以減少電路運算復(fù)雜程度。雖然可能誤差很大，但是能夠帶來很大的方便。初學(xué)設(shè)計時盡量能快速找到解決問題，培養(yǎng)解決問題的能力，積累設(shè)計經(jīng)驗。通過此次的課設(shè)，我學(xué)到了很多知識，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學(xué)的體制束縛，在論文的寫作過程中，通過查資料和搜集有關(guān)的文獻，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動手能力。并且由原先的被動的接受知識轉(zhuǎn)換為主動的尋求知識，這可以說是學(xué)習(xí)方法上的一個很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會記住很多的書本知識，但是通過課程設(shè)計，學(xué)會了如何將學(xué)到的知識轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會了怎么更好的處理知識和實踐相結(jié)合的問題。在論文的寫作過程中也學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學(xué)會與人合作的態(tài)度，認真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。在設(shè)計電路過程中，理論知識很重要，