有源二階低通濾波器

1、四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第1頁 成績：分 電子工程系 課程設(shè)計報告書 課程設(shè)計名稱 _ 電子技術(shù)課程設(shè)計 _ 題 目 有源二階低通濾波器 學(xué)生 姓名 高浩寶 支 業(yè) 電子信息工程 班 級 2007 QQ 446191090 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第2頁共16頁 日期 : 2009 年6 月 日 摘要：本文主要介紹了二階壓控電壓源低通濾波器，低通濾波器是一種典型的選頻電 路，在給定的頻段內(nèi)，理論上它能讓信號無衰減地通過電路，這一段稱為通帶外的其他 信號將受到很大的衰減，具有很大衰減的頻段稱為阻帶，通帶與阻帶的交界頻率稱為截 止頻率，對濾波器的基本要求是：

2、（1）通帶內(nèi)信號的衰減要小，阻帶內(nèi)信號的衰減要 大，由通帶過渡到阻帶的衰減特性陡直上升；（2）通帶內(nèi)的特性阻抗要包為常數(shù)，以 便丁阻抗匹配。本濾波器主要用丁限制信號丁一定頻率內(nèi)通過.主要芯片為UA741運放 器.在制作過程中運用到了 protel,EWB等軟件，用來制作電路板和設(shè)計的仿真計算等. 關(guān)鍵字：低通;UA741;濾波；截止頻率； Abstract： The lowpass filter one selecting circuit frequently typical, give the frequency band definitely, in theory it make sign

3、al is it decay to have through circuit, the called outside of the bandpass other signal receive heavy decay very, very great frequency band that decays is called and hindered bringing, the bandpass and bounded frequency of hindering the area are called and closed at frequency, the basic demandof the

4、 wave filter is: (1) Bandpass decay of signal light, hinder with interior signal heavy decay , carry out the transition to from bandpass decay brought to hinder characteristic steep to rise direct; (2)It is a constant that the characteristic in the bandpass is permanent in impedance, so that impedan

5、ce is matched. This article introduced the active low pass filter,This filter mainly use in the clipped wave passing in the certainfrequencyThe main chip is UA741 transports putting 。 Key words： low pass;UA741;Filter; Stops-frequency四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第3頁共16頁 目 錄 前言 . 1 1. 總體設(shè)計方案 . 2 1.1 有源二階低通濾波

6、器方案 . 2 1.2 濾波器方案設(shè)計 . 2 1.3有源二階低通濾波器電路圖 .5 2. 單元模塊設(shè)計 . 3 2.1 濾波器電路設(shè)計 . 6 2.1.1 有源二階低通濾波器的優(yōu)點 . 6 2.1.2 濾波電路分析 .6 2.1.3 電路傳遞函數(shù)數(shù)和特性分析 .6 2.1.4濾波器的參數(shù)設(shè)定 . 7 3. 軟件調(diào)試 3.1有源二階低通濾波器電路仿真 .8 3.2 使用Multisim軟件測二階低通濾波器的幅頻特性 . 8 3.3使用示波器測二階低通濾波器的輸出波形 . 9 4. 系統(tǒng)功能 . 12 5. 設(shè)計總結(jié) . 12 6. 參考文獻(xiàn) . 13四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告

7、第4頁共16頁 前言 本文主要介紹了二階壓控電壓源低通濾波器，低通濾波器是一種典型的選頻電路，在給 定的頻段內(nèi)，理論上它能讓信號無衰減地通過電路，這一段稱為通帶外的其他信號將受 到很大的衰減，具有很大衰減的頻段稱為阻帶，通帶與阻帶的交界頻率稱為截止頻率， 對濾波器的基本要求是：(1)通帶內(nèi)信號的衰減要小，阻帶內(nèi)信號的衰減要大，由通帶 過渡到阻帶的衰減特性陡直上升；(2)通帶內(nèi)的特性阻抗要包為常數(shù)，以便丁阻抗匹配。 本濾波器主要用丁限制信號丁一定頻率內(nèi)通過.主要芯片為UA741運放器.RC有源濾波 器可以根據(jù)頻率范圍的不同分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。本次設(shè)計突出 腦與手的結(jié)合：既要求

8、自己具備豐富的動手能力 ，也要求自己具備如何處理理論與實際 兩者之間的關(guān)系的實際問題-如濾波器具有理想的特性是很難實現(xiàn)的，這就要求用實 際濾波器的特性去逼近理想的。常見的逼近方法可用巴特沃斯 (butterworth)最大平坦響 應(yīng)和切比雪夫(chebyshex)等波動響應(yīng)。在不允許帶有波動時，用巴特沃斯響應(yīng)比較好。 如果給定帶內(nèi)所允許的波紋差，則用切比雪夫響應(yīng)比較好。例如，PCB板老是出問題， 不是布線很困難，出飛線，就是在印制時，經(jīng)常斷線，還有就是程序，這也是我們本次 課程設(shè)計的重點之重，經(jīng)過多次的調(diào)試，才得以完成。所以，經(jīng)過這次課程設(shè)計，不僅 鞏固了我們以前所學(xué)的知識：PROTEL99

9、, PCB的制作，而且能使我們的編程能力及 調(diào)試能力都有所提高。四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 1.總體設(shè)計方案 1 1 - - 1 1 - - 1 1實 驗 示 意 圖 （ 應(yīng) 是 這 樣 的 順 序 ： 先 給 圖 編 號 然 后 是 標(biāo) 注 ， 以 下 圖 自 己 改 ） 有源二階低通濾波器主要由運算放大器，電容，電阻構(gòu)成。運算放大器用丁對信號的放 大，電阻對電路起到反饋調(diào)節(jié)的作用使電壓放大范圍大大增加提高保持一定的開環(huán)增益 實現(xiàn)對一定范圍電壓的放大，而電容的用途是用來調(diào)節(jié)的作用把高丁設(shè)定頻率的信號導(dǎo) 地衰減掉，從而達(dá)到濾波的目的。， 1.2 濾波器方案設(shè)計 為了改進(jìn)一階低通

10、濾波器的頻率特性，可采用二階低通濾波器。一個二階低通濾波 第5頁共16頁四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第6頁共16頁 器包含兩個RC支路，如圖所示為二階低通濾波器的一般電路。此一般電路對丁二階高 通濾波器也同樣適用。圖1-2-1所示的濾波器是同相放大器。在圖 1-2-1中，零頻增 益為 在節(jié)點B可得: N (1-2-1) 在節(jié)點X可得 七*二七(匕+匕+匕)-虬匕-%匕 =氣(匕匕+匕)虬匕-* (1-2-4) 將式(6 2 8 )代人式(6 2 6),轉(zhuǎn)變到復(fù)頻域，可得一般一階低通濾波器的 在構(gòu)成二階低通濾波器時，只需選擇巧，蕩，蛀， %0導(dǎo)納的值即可。例如，當(dāng)選擇 Y1 =1

11、/R 1 , Y2 = 1/R2 , Y3 = SC1 Y4=sC 2時，則構(gòu)成圖2所示的二階低通濾波器。 (1-2-2) 1-2-3) Gg 傳遞函數(shù)為 U G(j) = -5 匕匕+匕(匕十匕+ %) +匕*(1 - G) (1-2-5) 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第7頁共16頁 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第8頁共16頁 R C I I (1-2-9 ) Ci=C 2=C，則式(1-2-8 )，式(1-2-9 )可化簡為 ) (1-2-10 ) 式中零Jig增益為 (1-2-7 ) 自然角頻率為 (1-2-8 ) 阻尼系數(shù)為 (1-2-6) 為了簡化計算

12、通常選 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第9頁共16頁 同 ru 一虬(1-2-11) 為了進(jìn)一步簡化計算，選取 C1=C2=C,R 1=R2=R,則式(1-2-10 )，式(6-2-11)可進(jìn) 一步簡化為 i M (1-2-12 ) f 二 3 - 冬 (1-2-13 ) 采用頻率歸一化的方法，則上述二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為 C = j X1 J + fJ + 1 (1-2-14 ) 圖1-2-3所示為二階低通濾波器的幅頻特性曲線，其阻帶衰減特性的斜率為一 40dB / 10oct ,克服了一階低通濾波器阻帶衰減太慢的缺點。二階低通濾波器的各個 參數(shù)，影響其濾波特性，如阻尼系數(shù)

13、苫的大小，決定了幅頻特性有無峰值，或諧振峰的 高低。如圖2所示為苫對二階低通濾波器幅頻特性的影響。四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第10頁共16頁 階低通濾波器電路圖品質(zhì)因數(shù)表明了濾波器通帶的狀態(tài)。一般要 Q=0.707 G（aXdH） 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第11頁共16頁 由此可以得到： 截止頻率 w0 =w =1/RC，即f =1/2兀RC 1.3 有源二階低通濾波器電路圖第12頁共16頁 1-2-5.濾波電路圖（加標(biāo)注即這是張什么圖，字體不對） 2.單元模塊設(shè)計 2.1濾波器電路設(shè)計 2.1.1有源二階低通濾波器的優(yōu)點 二階低通濾波器的幅頻特性曲線，其

14、阻帶衰減特性的斜率為 40dB / 10oct ,克服了 一階低通濾波器阻帶衰減太慢的缺點。二階低通濾波器的各個參數(shù)，影響其濾波特性， 如阻尼系數(shù)苫的大小，決定了幅頻特性有無峰值，或諧振峰的高低。用運放與少量RC元 件構(gòu)成的有源濾波器具有體積小、性能好、調(diào)整方便等優(yōu)點。在信號處理方面得到了極 為廣泛的應(yīng)用。 2.1.2濾波電路分析 二階壓控電壓源低通濾波器電路圖如圖 1所示，該電路具有元件少，增益穩(wěn)定，頻率 范圍寬等優(yōu)點，電路中C1、C2、R1、R2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。運算放大器接成電壓跟隨器形式， 在通頻帶內(nèi)增益等丁 1 0 2.1.3電路傳遞函數(shù)數(shù)和特性分析 傳遞函數(shù)的推導(dǎo):四川師范大學(xué)成都學(xué)院

15、電子工程系課程設(shè)計報告 利通過而高丁上限頻率的信號迅速衰減。 第11頁共16頁 _ _ _ Aw _ -wg 絲+ ,積丫 (2-1-1) Au(jtti) - - 77 I 巖+陸 (2-1-2) 可以證明，二階低通濾波器的傳遞函數(shù)由式?jīng)Q定, * nn (2-1-3) 3。為截止角頻率，表示濾波器的通帶與阻帶的分界頻率 2.1.4濾波器的參數(shù)設(shè)定 已知條件:fc=1000Hz Cmax=0.01uF 開環(huán)增益 A=1000 切比雪夫3dB 參數(shù)設(shè)計傳遞函數(shù) 求，a1 a2表也要加編號和標(biāo)注哈 3)3) 表(一)：歸一化參數(shù)表 名稱 二階 LPF a1 a2 貝賽爾 0.8695 0.9066

16、 0.6799 巴特沃爾 0.7072 1.414 0.7071 切比雪夫0.1dB 0.6517 1.638 0.6955 切比雪夫0.25dB 0.6179 1.778 0.6789 切比雪夫1dB 0.5288 2.218 0.6061 切比雪夫2dB 0.4431 2.672 0.5246 切比雪夫3dB 0.3833 3.103 0.4558 求間接電容:C11=494uF C12=72.5uF 求實際值 令 R1= R1=R R= C11/C1 C1 為反饋電容取最大為0.01uF R=49.4k C2= C12/R=0.00147uF 驗算 A=1000 C1/2C2=3.4 3

17、軟件調(diào)試四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第14頁共16頁 3.1有源二階低通濾波器電路仿真 3.2使用Multisim軟件測二階低通濾波器的幅頻特性 . A = 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 利通過而高丁上限頻率的信號迅速衰減。 第11頁共16頁 2 2- -2 2- -1 1- -1.1.幅頻特性圖 由圖2-2-1-1可以看出仿真結(jié)果符合低通濾波器的幅頻特性， 低丁上限頻率的信號順?biāo)拇◣煼洞髮W(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第16頁共16頁 3.3使用示波器測二階低通濾波器的輸出波形 輸入電壓為10V保持不變調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為 1300 Hz, 1200 Hz

18、, 1100 Hz, 1000 Hz, 900 Hz, 600 Hz , 500 Hz。示波器上下邊的波形為輸入波形，上邊的波形為 經(jīng)過波濾波器后的輸出波形由虛擬示波器得到輸入頻率為 500-1000 Hz時的輸出電壓 Uo1=Ui，即AUP=1與理論計算值相吻合。 （改哈，因打印出來的是黑白圖哈，）而輸入頻 率為1100 Hz時，此時Uo2最接近截止時的輸出電壓 UP=0.707Uo1這說明截止頻率fc 接近1000Hz,當(dāng)輸入頻率超過1000Hz時出現(xiàn)了衰減，實現(xiàn)了低通的作用。同時可以看出 輸入和輸出的頻率相同，說明濾波器不會改變輸入信號的頻率。 （注釋：圖的上面為輸 出波形，下面為輸入波

19、形。左邊為輸入信號 ）（在每幅圖后做說明哈，這樣顯得更有條理 些,人家也看得懂哈，知道你在做什么） 圖 1 1 輸入為 1300Hz1300Hz 的輸入與輸出波形圖（以下同） 當(dāng)輸入頻率為 1300HZ1300HZ 時輸出波形與輸入波形相比較出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象，說明輸入信號的頻率 高于了濾波電路的上限頻率。r7 P LlJL 757.351 uV Y posccr |16 * nr毛r叮旦1 pwbon |3 7T Add 峋 AB 3F aj Wl U 聲 土I 些I :J & Tym Norj AutoH 5ZK!V 儷阪m 5.郵V 焚TT.&Ml nftf 口j.|.

20、S 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第17頁共16頁 pZW DiiyC成* Aijat iD 圖 2 2 輸入為 1200Hz1200Hz 時的輸入與輸出波形圖 當(dāng)輸入頻率為 1200HZ1200HZ 時輸出波形與輸入波形相比較同樣出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象，說明輸入信號的 頻率還是高于了濾波電路的上限頻率。 圖 3 3 輸入為 1100Hz1100Hz 時的輸入與輸出波形圖 當(dāng)輸入頻率為 1100HZ1100HZ 時輸出波形與輸入波形相比較仍然出現(xiàn)了相應(yīng)的衰減現(xiàn)象，說明輸入信號的 頻率稍微高于了濾波電路的上限頻率G-cnc. i. . X Signal Frrquny 111Q0 S

21、uiy Cydt - - - _ r FmictioB . X | 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 第18頁共16頁 圖 4 4 輸入為 1000Hz1000Hz 時的輸入與輸出波形圖幅 當(dāng)輸入頻率為 1000HZ1000HZ 時輸出波形與輸入波形相比較波形幅度基本保持不變，說明輸入信號的頻率 與濾波電路設(shè)定的上限頻率相符即為濾波電路的上限頻率。 圖 5 5 輸入為 900Hz900Hz 輸入與輸出波形圖 當(dāng)輸入頻率為 900HZ900HZ 時輸出波形與輸入波形相比較波形幅度基本保持不變，說明輸入信號的頻率低 于了濾波電路的上限頻率輸入信號順利通過。fES IT AmpMMie f

22、ij Dplira OFFwi p 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 圖 6 6 輸入為 500Hz500Hz 時的輸入波形與輸出波形 當(dāng)輸入頻率為 500HZ500HZ 時輸出波形與輸入波形相比較波形幅度沒有出現(xiàn)衰減抑制現(xiàn)象， 說明輸入信號 的頻率低于了濾波電路的上限頻率輸入信號順利通過。 4,系統(tǒng)功能 有源二階低通濾波器的系統(tǒng)功能：此有源二階濾波器是一種能使有用頻率低丁 1000Hz信號通過而同時抑制（或衰減）無用頻率大丁 1000Hz信號的電子電路或裝置。 而不會改變輸入信號的頻率。 實現(xiàn)在一個實際的電子系統(tǒng)中，有時輸入信號受干擾等原因而含有一些不必要的成 分大丁 1000Hz信號，應(yīng)當(dāng)把它衰減到足夠小的程度。而在另一些場合，有時我們需要 的信號和別的信號混在一起，應(yīng)當(dāng) 設(shè)法把我們需要的信號挑出來低丁 1000Hz信號。要 解決這些問題都需要采用有源濾波器。 5設(shè)計總結(jié) 經(jīng)過近一個月的努力，有源