二階低通濾波器

1、欽州學(xué)院模擬電子課程設(shè)計報告院系機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院專業(yè)過程控制自動化學(xué)生班級 2013級133班姓 名劉良新學(xué) 號 1305402313指導(dǎo)教師單位欽州學(xué)院指導(dǎo)教師姓名 張曉培指導(dǎo)教師職稱2016年10月二階低通濾波器自動化專業(yè)2013級劉良新指導(dǎo)教師張曉培摘要：濾波器是一種使用信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，在信息 處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動控制、通信及其它電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。濾波一般 可分為有源濾波和無源濾波，有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭，而無源濾波設(shè)計簡 單易行，但幅頻特性不如有源濾波器，而且體積較大。二階低通濾波器可用壓控和無 限增益多路反饋。采用集成運(yùn)放構(gòu)成的RC

2、有源濾波器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低， 可提供一定增益，截止頻率可調(diào)等特點(diǎn)。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波 電路的重要一種，適合作為多級放大器的級聯(lián)。本文根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計一種壓控電壓 源型二階有源低通濾波電路，采用proteus仿真軟件對壓控電壓源型二階有源低通濾 波電路進(jìn)行仿真分析、調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵詞：二階低通濾波器，截止頻率，電路設(shè)計設(shè)計目的：（1）進(jìn)一步掌握模擬電子技術(shù)課程所學(xué)的理論知識，重點(diǎn)復(fù)習(xí)濾波器設(shè)計需要 的知識點(diǎn)。（2）了解濾波器的工作原理，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會使用其進(jìn)行電路設(shè)計。（3）了解并熟悉電路設(shè)計的基本思想和方法。目錄 TOC o 1-5

3、 h z 刖言4 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 第一章課程設(shè)計任務(wù)及要求51.1設(shè)計要求5 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 第二章系統(tǒng)組成及工作原理52.1有源二階壓控濾波器52.2無限增益多路反饋有源濾波器6 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第三章電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇73.1二階壓控低通濾波器設(shè)計及參數(shù)計算73.2無限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算8 HYPERLINK l bookmark68 o Current Doc

4、ument 第四章 電路組裝及調(diào)試84.1壓控電壓源二階低通濾波電路84.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器11 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論13 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析13 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 5.1設(shè)計體會13 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 參考文獻(xiàn)14 HYPERLINK l bookmark90 o Current

5、 Document 附錄一芯片介紹：14 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 附錄二 元件清單15 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 附錄三 實(shí)物圖15當(dāng)今時代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)在各個近代學(xué)科門類和科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域中占有不可或缺的核心地位。同時在國家的事業(yè)中發(fā)揮了重大作用，只有科 技才能使一個國家變得真正強(qiáng)大。作為一名大學(xué)生不僅僅要努力學(xué)習(xí)理論知識，還要 把理論運(yùn)用到實(shí)踐中去，做到學(xué)以致用。低通濾波器的使用非常廣泛。該種濾波器只讓規(guī)定的低頻率通過，而且電路性能 穩(wěn)定，增益易調(diào)節(jié)。利

6、用這一特點(diǎn)不僅可以通過有用信號還可以抑制無用信號。工程 上常常用低通濾波器作信號處理，數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾。例如：無線電發(fā)射機(jī)利用低 通濾波器阻塞可能引起與其它通信發(fā)生干擾的諧波發(fā)射；固體屏障也是一個聲波的濾 波器，當(dāng)一個房間播放音樂時很容易聽到低音，但高音被濾掉了。我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率雖然基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。但從 整體而言，我國有源濾波器發(fā)展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。我國電子 產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍是一個問題。百度文庫-讓每個人平等地提升自我第一章課程設(shè)計任務(wù)及要求1.1設(shè)計要求分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋兩種方法設(shè)計電路截止頻率fc=2

7、000HZ增益Av=2第二章系統(tǒng)組成及工作原理2.1有源二階壓控濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示I Ri 同和比例! T 放大電路圖2.1二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)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f f0時(f0為截止頻率)，電路的每級RC電路的相移趨于-90，兩級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，故此時通過電容c引到集成運(yùn) 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

8、頻端 信號通過。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：(2-1)急)=空二V( s)1 + (3 - A) sCR + (sCR )2 TOC o 1-5 h z 令A(yù)0 = A稱為通帶增益(2-2)Q = 稱為等效品質(zhì)因數(shù)(2-3)3 - AVF1c - rc 稱為特征角頻率(2-4)則 A( s)=擋2(2-5)s 2 + n s + 2Q c注 當(dāng)3 - A 0，即 3時濾波電路才能穩(wěn)定工作。2.2無限增益多路反饋有源濾波器基本形式圖2圖2.2無限增益多路反饋有源濾波基礎(chǔ)電路在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號加到集成運(yùn)放的同相輸入端，同時 電容C1在電路參數(shù)不合適時會產(chǎn)生

9、自激震蕩。為了避免這一點(diǎn)，Aup取值應(yīng)小于3. 可以考慮將輸入信號加到集成運(yùn)放的反相輸入端，采取和二階壓控電壓源低通濾波電 路相同的方式，引入多路反饋，構(gòu)成反相輸入的二階低通濾波電路，這樣既能提高濾 波電路的性能，也能提高在f=f0附近的頻率特性幅度。由于所示電路中的運(yùn)放可看 成理想運(yùn)放，即可認(rèn)為其增益無窮大，所以該電路叫做無限增益多路反饋低通濾波電 路。Au (s)=CC RR71 2 】、2111s 2 +頃R RJAuo1S2 + S + 1s +CC 2 R2 R3(2-6)(2-7)其中：s = , Q為品質(zhì)因數(shù)。c第三章電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇3.1二階壓控低通濾波器設(shè)計及參數(shù)

10、計算所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)該使得R1:R2=1,取R1=R2=10K，然 后由中心頻率計算公試可以取C1=C2=0.1uF可以得出電阻R3=600q,R4=1000q. 本次課設(shè)電路中用1k的電位器調(diào)節(jié)的到600Q代替。仿真電路圖如下所示:圖3.1.1壓控電壓源二階低通濾波百度文庫-讓每個人平等地提升自我3.2無限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)：A =R(3-2)uo R11濾波器的截止角頻率：c = ,= 2吧(3-3)2 3 12根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)該使得C3=C4，則可以取C3= C4=0.1uF， 然后由中心頻率計算公式，電壓增

11、益公式以及品質(zhì)因素的公式計算參數(shù)，依據(jù)以上三 個公式，取 f0=2KHz, Q=0.707，令 R5=200,R7=100Q, R6=400Q,而實(shí)踐中，電阻測 量值與標(biāo)稱值有較大誤差，本電路中R5 ,R7用1K的電位器調(diào)節(jié)得到，使得其等于 200Q和100 Q即可基本達(dá)到設(shè)計要求。其仿真電路圖如下圖3.2.1無限增益多路反饋低通濾波電路第四章 電路組裝及調(diào)試4.1壓控電壓源二階低通濾波電路U圖4.1.1壓控有源二階低通濾波基礎(chǔ)電路當(dāng)輸入的信號頻率小于截止頻率2000hz,其電路的增益為2.即其波形的峰峰值是兩倍。當(dāng)f=1KHZ，f=2KHZ，f=4KHZ時得仿真圖如下Digital Osci

12、lloscope11111圖4.1.2 f=1KHZ時仿真圖Digital OscilloscopeVSM Signal Generator圖4.1.3 f=2KHZ時仿真圖Digital OscilloscopeChannel E圖4.1.4 f=4KHZ時仿真圖4.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器當(dāng)輸入的頻率是1000HZ , 2000HZ,4000HZ 的交流電源是 輸出信號的波形圖分別如下:輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系分別是2倍，1.3倍 然后是截至了，趨于0.濾波器的濾波效果已經(jīng)達(dá)到，截至頻率是2000HZ。小于2000HZ時，輸出波放大2倍。ClifHinel CPosition圖4.2

13、.1 f=1KHZ時仿真圖Orw-SnolCursorscnanneiBcnarinei uPoaifei&n圖4.2.2 f=2KHZ時仿真圖V100.1JChfiiinel CChiniiel D圖4.2.3 f=4KHZ時仿真圖第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)論5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析表5.1.1壓控電壓源二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f/Hz124輸入/V0.50.50.5輸出/V10.70.4理論上當(dāng)輸入電壓0.5v,f2KHZ時輸出減小逐漸趨于0。表5.1.2無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f/Hz124輸入/V0.50.50.5輸出/V10.80.3理論上當(dāng)輸入電壓0.5v,f2KHZ時輸出減小逐漸

14、趨于0。誤差分析：由于元件標(biāo)稱值與實(shí)際值有誤差，加之儀器本身的誤差，在焊接過程中電 烙鐵溫度很高使得整塊電路板很燙可能會影響各元件的性能從而帶來一定誤差示波 器時由于導(dǎo)線接觸不良容易產(chǎn)生干擾?？偟膩碚f在誤差允許之內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)是成功的。5.1設(shè)計體會在拿到題目之初我們進(jìn)行了細(xì)致的討論，進(jìn)行了分工合作，每個組員都參與其中， 而我主要負(fù)責(zé)的是有關(guān)電路的設(shè)計仿真以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，參照課程設(shè)計的要求， 查閱了諸多相關(guān)資料，在小組內(nèi)部進(jìn)行討論分析并敲定方案，在計算數(shù)據(jù)的時候，因 為對一下公式的理解不夠透徹，導(dǎo)致計算出錯，最后多加查閱相關(guān)知識要點(diǎn)學(xué)習(xí)。才 計算正確，并成功的將實(shí)驗(yàn)仿真出來，我們立即購買材料，然后進(jìn)行作品的制作，以 及最后的調(diào)試，作品大家一起努力做了出來，雖然遇到了一些困難，但經(jīng)過我們的努 力最后都克服了。參考文獻(xiàn)王港元.電工電子實(shí)踐指導(dǎo).江西.江西科學(xué)技術(shù)出版社，2000康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京.高等教育出版社，2005童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京.高等教育出版社，2008彭介華.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計.北京.高等教育出版社，2003附錄一芯片介紹:產(chǎn)品型號：LM324N1.概述與特點(diǎn)LM324是由四個獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路。它設(shè)計在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工 作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上