模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)

1、1課程設(shè)計(jì)目的1 .掌握有源濾波器和無源濾波器設(shè)計(jì)方法和過程.2 .要求設(shè)計(jì)一個(gè)有源二階的低通濾波器,其設(shè)計(jì)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(shí),幅度衰減大于30dBo3 .熟練運(yùn)用仿真軟件(workbench或multisim)設(shè)計(jì)和仿真電路.4 .對(duì)其設(shè)計(jì)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(shí)踐的方法.2課程設(shè)計(jì)實(shí)施2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求要求設(shè)計(jì)一個(gè)有源二階的低通濾波器,其設(shè)計(jì)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(shí),幅度衰減大于30dBo2.2 濾波器的設(shè)計(jì)原理及

2、元器件的選擇2.2.1 濾波器介紹濾波器是一種能使有用信號(hào)通過,濾除信號(hào)中的無用頻率,即抑制無用信號(hào)的電子裝置.有源濾波器實(shí)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(gè)通過低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)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(shí)際濾波器不能到達(dá)理想要求.為了尋找最正確的近似理想特性,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(jì)算就會(huì)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

3、級(jí)聯(lián)而成,而對(duì)于n為偶數(shù)的高階濾波器,可以由匚節(jié)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由區(qū)節(jié)二階濾波器22和一節(jié)一階濾波器級(jí)聯(lián)而成,因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的根底.2.2.2 有源濾波器的設(shè)計(jì)有源濾波器的設(shè)計(jì),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(jì)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)no(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(xiàng)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)

4、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=2o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(diǎn)是：運(yùn)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(gè)電壓源,其優(yōu)點(diǎn)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(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反應(yīng),在不同的頻段,反應(yīng)的極性不相同,當(dāng)信號(hào)頻率ffc時(shí)(fc為截止頻率

5、),電路的每級(jí)RC電路的相移趨于-90o,兩級(jí)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(shí)通過電容C引到集成運(yùn)放同相端的反應(yīng)是負(fù)反應(yīng),反應(yīng)信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用,使電壓放大倍數(shù)減小,所以該反應(yīng)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(hào)通過.Au(s)巴特沃斯低通濾波器性能參數(shù)的表達(dá)式為：-A(s)2cR1R2C1C22%；Av=1+R/Ra；2-3其中Auo為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù),c為截止角頻率,Q為品質(zhì)因子.表2.1電路元器件值A(chǔ)v12468R11.4221.1260.8240.6170.521R25.3992.2501.5372.051

6、2.429R3開路6.7523.1483.2033.372R406.7529.44416.01323.602C10.33CC2C2C2C注：電阻為參數(shù)k=1時(shí)的值,單位為kQ由表2.1可得要求電路:截止頻率fc2kHz,C0.01F；增益Av2,C1C0.01F；為了得到相對(duì)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K100/(fc*C)(2-4)本次課程設(shè)計(jì)我們?nèi)=5,由公式(2-4)及表1中Av=2得R1=1.126*5=5.63k,取R1為5.6kQ;R2=2.25*5=11.25kQ,取R1為11kQ;R3=R4=33.76kQ,取33kQo代入設(shè)計(jì)值,得到電路圖2-2o

7、rnikF2.2.4741運(yùn)算放大器圖2-3741高增益運(yùn)算放大器圖2-3為741芯片是增益運(yùn)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(yùn)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管腳是為提升運(yùn)算精度.在運(yùn)算前,應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零,即保證輸入為零時(shí),輸出也為零,當(dāng)運(yùn)放有外接調(diào)零端子時(shí),可按組件要求接入調(diào)零電位器R3,調(diào)零時(shí),將輸入端接地,調(diào)零端接入電位器R3,用直流電壓表測(cè)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

8、 Workbench電路仿真設(shè)計(jì)通過workbench仿真軟件對(duì)上述電路進(jìn)一步修正及仿真,仿真結(jié)果如圖2-4:dL1UF經(jīng)過仿真軟件workbench對(duì)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.擘AnalysisGraphs|cj|QFa；nI口|囿Q|冬|固船|第|那么二眉卮就固xl38,4160yl6,0209乂22.0255Ky23.0902djc1,9371Kdy-2.9301/dx51,219u1/dy-341.211OISStatisticsAnalogBode：OscilloscopeACAnalysis200q10-3蝕-315布汽QVDbGainn

9、kinx4*1000maxx41.OOOOKnuny.2092rtkaxyG.022011口*110.0100.01.OK10.OK42.OKPhase(deg)|sPheiso(deg)iii441147Q3443224/IMO111911r1r_xl91.1708yl-3.6129y2-S7.3195cLka,.dy-8370661/dx539.912日口1/dy-11.9485mminx41000maxx41*OOOOKminy-176,0230itaxy-162.3599n4,1111J110.C100.01.0K10.OK弓W.QKFrequency(Hz)圖2-5電路仿真頻域圖由圖

10、可知,仿真出的效果根本到達(dá)設(shè)計(jì)要求.2.4 硬件制作2.4.1 濾波器電路板制作經(jīng)過workbench仿真軟件測(cè)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1kQ25.4kQ110kQ133kQ2電容0.01F2電路板1741運(yùn)算放大器1導(dǎo)線電路焊接中,需注意741運(yùn)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(cè)一下是否有短路的地方,檢查完畢后進(jìn)行測(cè)試.圖2-6濾波器設(shè)計(jì)電路板2.4.2 調(diào)板以及測(cè)試分析(1)測(cè)試儀器表儀器名稱數(shù)量備注模擬示波器1臺(tái)萬用表1個(gè)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)仿真軟件

11、Workbench(2)電路的調(diào)整和測(cè)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.在電路的輸入端假設(shè)Vi=1V的正弦信號(hào),慢慢改變輸入的信號(hào)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,假設(shè)沒有濾波特性,檢查電路,找出故障原因并排除.假設(shè)電路具有濾波特性,可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試,對(duì)低通濾波器應(yīng)觀測(cè)其截止頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求,假設(shè)不滿足設(shè)計(jì)要求應(yīng)根據(jù)公式,確定應(yīng)調(diào)整哪個(gè)元件才能使截止頻率既能到達(dá)設(shè)計(jì)要求又不會(huì)對(duì)其它的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響；然后觀測(cè)電壓放大倍數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求,假設(shè)不到達(dá)要求,應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式調(diào)整有關(guān)的元件,使其到達(dá)設(shè)計(jì)要

12、求.通過測(cè)試設(shè)計(jì)值點(diǎn)電路板的結(jié)果,對(duì)電路板進(jìn)行修正以到達(dá)設(shè)計(jì)要求.3工程設(shè)計(jì)總結(jié)通過此次的課程設(shè)計(jì),我學(xué)到了很多,盡管在小組中,我主要負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)和仿真局部,但由于作為組長(zhǎng),所以在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都進(jìn)行參與.設(shè)計(jì)電路過程中,理論知識(shí)很重要,由于它決定了設(shè)計(jì)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(shí)還必須有實(shí)事求是地分析問題的態(tài)度,知道理論與實(shí)際是有一些差異的.而通過查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn),培養(yǎng)了自學(xué)水平和動(dòng)手水平,由曾經(jīng)被動(dòng)的接受知識(shí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)的尋求知識(shí),這可以說是學(xué)習(xí)方法上的一個(gè)很大的突破.另外,在以往的學(xué)習(xí)中,我們可能會(huì)記住很多的書本知識(shí)

13、,而現(xiàn)在,我們學(xué)會(huì)了如何將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的東西,學(xué)會(huì)了怎么更好的處理知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的問題.調(diào)試的過程中要有平和的心態(tài),遇見問題是很正常的,自己需要做的就是多做比擬和分析,逐步的排除可能的原因,要堅(jiān)信“凡事都是有方法解決的和“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(bào)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(duì)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(jiān)持下去就可以找到思路去解決問題的.在工作中要學(xué)會(huì)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.總之,此次課程設(shè)計(jì),我收獲了很多.盡管最終試驗(yàn)結(jié)果并不理想,但這畢