有源低通濾波器

引言模擬電子技術課程設計是一門獨立設課、有獨立學分的實踐性課程，同“模擬電子技術”理論講授課程有密不可分的關系，起著相輔相成的作用，也是在“模擬電子技術實驗”課的根底上，進一步深化的實踐環(huán)節(jié)。其主要目的是通過本課程，培養(yǎng)、啟發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，進一步理解電子系統(tǒng)的概念，掌握小型模擬電子系統(tǒng)的設計方法，掌握小型模擬系統(tǒng)的組裝和調試技術，掌握查閱有關資料的技能。根本任務是設計一個小型模擬電子系統(tǒng)。目錄TOC\o"1-3"\h\u4275引言 2587模擬電子技術課程設計任務書 59403長沙學院課程設計鑒定表 66900一電路原理及其介紹 756581.什么是濾波器7266012.什么是低通濾波器7211583.有源低通濾波器的運放7133454.實驗的要求和目的892325.模擬電子電路的設計流程圖8273446.電路設計的一般步驟861077.電路原理932266二電路的參數 10286671.參數的要求10100762.參數的要求11106403.參數確實定1231264三Multisim電路仿真 12210801.電路的仿真12157823.調試中遇到的問題及解決方法1427339四實驗總結 1430048五參考文獻 15模擬電子技術課程設計任務書系〔部〕：電子與通信工程系專業(yè)：電子信息工程指導教師：課題名稱有源低通濾波器設計內容及要求1、設計一個由運算放大器組成的有源低通濾波器，通頻帶自定義；2、運算放大器由直流穩(wěn)壓電源供電。3、測量設計的有源低通濾波器的幅頻特性。設計工作量1、系統(tǒng)整體設計；2、系統(tǒng)設計及仿真；3、在Multisim或同類型電路設計軟件中進行仿真并進行演示；4、提交一份完整的課程設計說明書，包括設計原理、仿真分析、調試過程，參考文獻、設計總結等。進度安排起止日期〔或時間量〕設計內容〔或預期目標〕備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設計方案論證第三天進行具體設計第四天進行具體設計第五天編寫設計說明書指導老師意見年月日教研室意見年月日一電路原理及其介紹1.什么是濾波器濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，常用于信號處理、數據傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運放和無源元件電阻和電容構成。它的功能是允許從零到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他頻率的信號有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻干擾信號。[1]但對于濾波器設計的綜合技術，由于其網絡元件參數的實際選擇和調試的困難，采用普通實驗設計方法不僅解決不了上述問題，還花費大量時間和設計本錢，以至于設計出的產品價格昂貴，電路噪聲大等質量問題也不盡人意。因此，對有源低通濾波器的設計新方法探討，仍有積極的實際意義。[2]隨著集成運放的廣泛應用,有源濾波器的應用更為廣泛,因此有源濾波器性能的分析和電路設計就成為一個核心問題。2.什么是低通濾波器低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。電路的設計二階有源濾波器是一種信號檢測及傳遞系統(tǒng)中常用的根本電路,也是高階慮波器的根本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無限增益多路反應型和雙二次型。本次課程設計采用壓控電壓源型設計課題。3.有源低通濾波器的運放運算放大器是目前應用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結構不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個局部組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路〔抑制電源〕，中間級一般采用有源負載的共射負載電路〔提高放大倍數〕，輸出級一般采用互補對稱輸出級電路〔提高電路驅動負載的能力〕。運算放大器的性能指標包括5個，開環(huán)差模電壓放大倍數，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。〔開環(huán)差模放大倍數是指集成運放在無外加反應回路的情況下的差模電壓的放大倍數。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰--峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好?！硨嶋H是有要求的。首先運放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對電路中的實際電阻產生過大的影響。其次運放的開環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設計有源二階低通濾波器時，不考慮。但在仿真時，不同的運放對濾波器的指標還是有影響的。4.實驗的要求和目的〔1〕構建有源低通濾波電路，掌握有源濾波電路的結構形式?！?〕分析有源低通濾波電路性能。5.模擬電子電路的設計流程圖所有圖的下方都要居中寫上圖號圖名6.電路設計的一般步驟所有圖的下方都要居中寫上圖號圖名〔1〕提出有源濾波器的技術指標和性能指標,他可包括在通帶、阻帶上的幅度要求，相位要求及其他需要的特性；〔2〕尋找適宜的傳遞函數；〔3〕用實際電路實現傳遞函數，通常有多種電路可實現該傳遞函數；〔4〕對所得各個電路進行各種性能分析，如容差分析，靈敏度分析；〔5〕選出能滿足所有要求的電路；〔6〕對選出的電路進行優(yōu)化。7.電路原理采用計算法設計有源低通二階濾波器，其電路從集成運放輸出到同相輸入間引入一個負反應，該反應使改濾波器只允許低頻端的信號通過，實現低通濾波。用查表法設計，電路響應特性、形式、類型及階數、濾波器性能參數，再根據截止頻率，選定電容標稱值，查表求出相應電容值及電阻值，通過計算得到設計值以確定電路參數。它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負反應，在不同的頻段，反應的極性不相同，當信號頻率f＞＞f0時〔f0為截止頻率〕，電路的每級RC電路的相移趨于-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應是負反應，反應信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數減小，所以該反應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。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數為：令稱為通帶增益稱為等效品質因數稱為特征角頻率那么上式為二節(jié)低通濾波電路傳遞函數的典型表達式注：濾波電路才能穩(wěn)定工作。二電路的參數1.參數的要求電路性能參數其通帶電壓放大倍數即為同相比例放大電路的放大倍數：其傳遞函數：其中：Wo=1/RC品質因數，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過分析可知：當信號頻率大于截止頻率時信號的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以到達40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號可以得到一定提升。如果Q=0.707時，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q>0.707時,幅頻特性將出現峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設計電路圖參數。2.參數的要求我的設計題目是二階有源低通濾波器。要求截止頻率f0=500HZ；為了波特圖能夠更好的平穩(wěn)，我選擇Q值為0.707，選擇電容器的容量，計算我選擇C1=C2=100nF,那么根據根式得R1=R2==3K經同相放大電路輸入后計算得通帶增益為3.參數確實定以上的參數會使電壓放大1.5倍，截止頻率為500HZ，電壓輸出波形為正弦波。三Multisim電路仿真1.電路的仿真2.仿真的結果由圖可見經仿真分析可得在衰減—3dB時得出的上限截止頻率為501.609HZ。與當初設計的500HZ十分接近。二階有源低通濾波器仿真波形圖如下圖，放大倍數大約在1.2倍，與原先設計的1.5倍有較大的誤差，可能與元器件的參數設計誤差太大有關，需要設計更加精準的參數。3.調試中遇到的問題及解決方法調試中特性測量中選擇“Magnitude”;Horizontal和Vertical坐標類型都選擇“Log”。如果幅頻曲線的水平線沒出現，可能是Vertical坐標范圍中的終點F沒調到適宜位置，也可能是參數沒選擇好，可適當調整。四實驗總結在為期一周的實驗中我學到了許多在課堂上沒學到的東西，通過去圖書館查找資料，根據不同的書籍了解到設計有源低通濾波電路，加強了對二階低通濾波電路的認識和理解，對元件的選擇原那么和計算有了根本的了解，鍛煉了動手能力，提高了對電路的分析能力，為以后實驗設計打下了初步根底。此外，我還熟悉了Multisim軟件的應用。用Multisim進行仿真分析，進一步加深了在設計有源濾波器的過程中要應對和解決的問題，學習并了解了有源濾波器的調試方法及幅頻特性的測量。通過這次課程設計，在查找資料的過程中我涉獵到很多課外知識，明白自己所學的僅僅是一些片面的，還有很多東西需要去發(fā)現和了解。而圖書館就是我們了解