模擬低通濾波器的設(shè)計

1、1掌握有源濾波器和無源濾波器設(shè)計方法和過程。2要求設(shè)計一個有源二階的低通濾波器，其設(shè)計指標(biāo)為：最高截止頻率為2KHz，通帶電壓放大倍數(shù)為2，在頻率為10KHz時，幅度衰減大于30dB。3熟練運用仿真軟件（workbench或multisim）設(shè)計和仿真電路。4對其設(shè)計電路進(jìn)行仿真并利用相應(yīng)元件搭建電路。5結(jié)合現(xiàn)有儀器儀表進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。6掌握理論聯(lián)系實踐的方法。2 課程設(shè)計實施設(shè)計任務(wù)及要求要求設(shè)計一個有源二階的低通濾波器，其設(shè)計指標(biāo)為：最高截止頻率為2KHz，通帶電壓放大倍數(shù)為2，在頻率為10KHz時，幅度衰減大于30dB。2.2 濾波器的設(shè)計原理及元器件的選擇2.2.1 濾波器介紹濾波器是一

2、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(dá)到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，一般主要考慮濾波器的幅頻響應(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)計算就會越繁瑣，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，而對于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由節(jié)

3、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)。.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(biāo)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)計的濾波器滿足指標(biāo)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(jìn)行調(diào)試，使電路的性能滿足指標(biāo)要求。2.2.3濾波器類型的選擇分析

4、根據(jù)課設(shè)要求，我們選擇巴特沃斯（butterworth）濾波電路。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。由于要求為30dB/十倍頻程，選擇二階有源低通濾波器電路，即n=2。有源二階低通濾波器電路如圖2-1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(dāng)于一個電壓源，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)整。圖2-1 有源低通濾波器在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)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

5、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(fù)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性能參數(shù)的表達(dá)式為：A(s) 21； 22Av=1+R4/R3； 23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。表2.1電路元器件值A(chǔ)v12468R11.422 R2R3開路R40C1C2C2C2C注：電阻為參數(shù)k=1 時的值，單位為k由表2.1可得要求電路：截止頻率；增益；為了得到相對應(yīng)的電阻值

6、，需要算出K值，用K值乘以相應(yīng)的R得到R；而 （24）圖2-2 低通濾波器實驗電路本次課程設(shè)計我們?nèi)=5，由公式（24）及表1中Av=2得R1=1.126*5=k，取R1為k；R2=*5=k，取R1為11k；R3=R4k，取33k。代入設(shè)計值，得到電路圖2-2741運算放大器圖2-3 741高增益運算放大器圖2-3為741芯片是增益運算放大器，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(hù)和閉鎖自由運作。其中：第2管腳是負(fù)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(fù)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

7、運算前，應(yīng)首先對直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時，輸出也為零，當(dāng)運放有外接調(diào)零端子時，可按組件要求接入調(diào)零電位器R3，調(diào)零時，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器R3，用直流電壓表測量輸出電壓Uo，細(xì)心調(diào)節(jié)R3，使Uo為零（即失調(diào)電壓為零）。2.3 Workbench電路仿真設(shè)計圖2-4 有源低通濾波器仿真電路通過workbench仿真軟件對上述電路進(jìn)一步修正及仿真，仿真結(jié)果如圖2-4：圖2-5 電路仿真頻域圖經(jīng)過仿真軟件workbench對電路進(jìn)行仿真作用，得到濾波器的頻域特性曲線，其最終仿真結(jié)果如圖2-5。由圖可知，仿真出的效果基本達(dá)到設(shè)計要求。2.4 硬件制作 濾波器電路板制作經(jīng)過wor

8、kbench仿真軟件測試后，接下來進(jìn)行硬件的制作，首先是電路板的制作，電路元件表如表2-2所示：表2-2 電路元件表元件名稱數(shù)量備注電阻1k2110k133k2電容2電路板1741運算放大器1導(dǎo)線若干圖2-6 濾波器設(shè)計電路板電路焊接中，需注意741運算放大器引腳的焊接及電路板上布線的合理，電路板焊接完成之后先查看是否有漏焊，之后用萬用表檢測一下是否有短路的地方，檢查完畢后進(jìn)行測試。2.4.2調(diào)板以及測試分析（1）測試儀器表儀器名稱數(shù)量備注模擬示波器1臺萬用表1個信號發(fā)生器1臺仿真軟件Workbench（2）電路的調(diào)整和測試仔細(xì)檢查裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，接通電源。在電路的輸入端

9、假如Vi=1V的正弦信號，慢慢改變輸入的信號的頻率（注意保持Vi的不變），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，檢查電路，找出故障原因并排除。若電路具有濾波特性，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試，對低通濾波器應(yīng)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(dá)到設(shè)計要求又不會對其它的指標(biāo)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(dá)到要求，應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式調(diào)整有關(guān)的元件，使其達(dá)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(jìn)行修正以達(dá)到設(shè)計要求。3項目設(shè)計總結(jié)通過此次的課程設(shè)計，我學(xué)到了很多，

10、盡管在小組中，我主要負(fù)責(zé)電路設(shè)計和仿真部分，但由于作為組長，所以在設(shè)計的整個過程中都進(jìn)行參與。設(shè)計電路過程中，理論知識很重要，因為它決定了設(shè)計的方法及電路最終是否成功，所以就需要查找很多資料，有足夠的耐心、細(xì)心去研究問題，解決問題，同時還必須有實事求是地分析問題的態(tài)度，知道理論與實際是有一些差別的。而通過查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動手能力，由曾經(jīng)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。另外，在以往的學(xué)習(xí)中，我們可能會記住很多的書本知識，而現(xiàn)在，我們學(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。調(diào)試的過程中要有

11、平和的心態(tài)，遇見問題是很正常的，自己需要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅信“凡事都是有辦法解決的”和“問題出現(xiàn)一定有它的原因”，這樣最后一定能調(diào)試成功。報告的寫作過程中也學(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(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半?？傊?，此次課程設(shè)計，我收獲了很多。盡管最終試驗結(jié)果并不理想，但這畢竟是我們第一次單獨進(jìn)行一個項目從涉及到實現(xiàn)的過程，我相信進(jìn)過這一次的體驗與鍛煉，對我們今后的