課程設(shè)計--- 二階有源低通濾波器

1、<p>　　課程設(shè)計(論文)說明書</p><p>　　題 目： 二階有源低通濾波器 </p><p>　　院 （系）： </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名： <

2、/p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　職 稱： </p><p>　　20 年 月 日</p><p>　　第 1 頁 共

3、 13 頁</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　低通濾波器的功能是實現(xiàn)對低頻段信號順利通過，對高頻段信號衰減。本次設(shè)計采用有源濾波器電路（即集成運算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成）進(jìn)行設(shè)計。參考課本《模擬電子電路基礎(chǔ)》以及《OP放大電路設(shè)計》、《濾波器綜合法設(shè)計原理》等書籍，最終選擇具有負(fù)反饋的二階有源低通濾波器電路。將電路指標(biāo)定為截止頻率：=5.

4、3k Hz，通帶增益：Av=1。首先推導(dǎo)計算出相應(yīng)的電阻阻值以及電容容值，經(jīng)過仿真軟件測試，制做具體電路板，測試結(jié)果驗證。</p><p>　　關(guān)鍵詞：濾波器；低通；二階；截止頻率</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　Low-pass filter function is to achieve the s

5、mooth passage of low-frequency signals, high-band signal attenuation. The design uses an active filter circuit (ie, integrated operational amplifier and the RC network components) design. Refer to their textbooks, "

6、analog electronic circuits based" and "OP amplifier design", "Filter synthesis method design principles" and other books, the final choice has a negative feedback, second-order active low-pass fi

7、lter circuit. Will be set at the circuit cut-o</p><p>　　Key words：filter; low-pass; second-order; cut-off frequency </p><p>　　第 2 頁 共13 頁</p><p><b>　　目 錄</b></p&

8、gt;<p>　　引言 …………………………………………………………………………4</p><p>　　1 原理分析，公式推導(dǎo) …………………………………………………4</p><p>　　1.1 二階低通濾波器原型原理圖………………………………………………………5</p><p>　　1.2 傳輸函數(shù)計算 …………………………………………………

9、…………………5</p><p>　　1.3 阻值、容值計算 …………………………………………………………………6</p><p>　　2 元器件選擇 ……………………………………………………………6</p><p>　　3 Multisim仿真原理圖及仿真結(jié)果……………………………………6</p><p>　　3.1 仿真原件圖…………

10、……………………………………………………6</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果…………………………………………………………………7</p><p>　　3.2.1時域仿真………………………………………………………………7</p><p>　　3.2.2頻域仿真………………………………………………………………7</p><p>　　4 pr

11、otel設(shè)計原理圖及繪制PCB圖……………………………………8</p><p>　　4.1 原理圖設(shè)計………………………………………………………………8</p><p>　　PCB圖……………………………………………………………………8</p><p>　　5 測試結(jié)果與分析 ………………………………………………………9</p><p>　

12、　6 結(jié)論 ……………………………………………………………………10</p><p>　　謝辭 ………………………………………………………………………11</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………12</p><p>　　附錄 …………………………………………………………………………13</p><

13、p>　　第 4 頁 共13頁</p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　濾波器的作用是消除電路中某些不必要的信號并保留有用的信號，在信號處理方面具有非常重要的作用。</p><p>　　濾波器能使所有特定頻段的信號能夠順利通過，而對其它頻段的信號起衰減作用。因此，濾波器被廣泛地應(yīng)用在通信和信號處理等領(lǐng)域。<

14、/p><p>　　濾波器的各類繁多，按照幅頻特性的不同，一般分為低通濾波器（Low Pass Filter）、高通濾波器（Hight Pass Filter）、帶通濾波器（Band Pass Filter）、全通濾波器（All Pass Filter）、帶阻濾波器（Band Elimination Filter）等幾類；按照器件的不同，分為無源濾波器、有源濾波器和晶體濾波器等幾種。無源濾波器是指由R、L、C等無源器件

15、所構(gòu)成的濾波器電路；有源濾波器是指由放大電路及RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路。 </p><p>　　對于有源濾波器，通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；但是，其通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾

16、波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。</p><p>　　一般可以按照有源濾波器傳輸函數(shù)分母中S的最高指數(shù)分為一階、二階和高階濾波器。濾波器的階數(shù)是指在濾波器的傳遞函數(shù)中有幾個極點.階數(shù)同時也決定了轉(zhuǎn)折區(qū)的下降速度，一般每增加一階(一個極點)，就會增加-20dBDec(-20dB每十倍頻程)。</p><p>　　1 原理分析，公式推導(dǎo) </p><p>　

17、　一階有源濾波器電路結(jié)構(gòu)簡單，但其幅頻特性衰減緩慢，因此，一階有源濾波器的濾波特性與理想的低通濾波特性的差距很大，選擇性較差。為了使濾波器的濾波特性更接近理想情況，常常采用二階的濾波器。</p><p>　　常用的二階低通濾波器是在一階低通濾波器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，即將RC無源網(wǎng)絡(luò)由一節(jié)改為兩節(jié)，同時將第一節(jié)RC電路的電容不接地而接在運放輸出端，引入反饋，以改善附近的幅頻特性，在高頻段，衰減斜率的絕對值比一階低通濾波

18、器增大了一倍，為-40dB/十倍頻程。在電路中，為計算方便，令RC網(wǎng)絡(luò)中的電阻取相同的值，再根據(jù)與頻率的關(guān)系計算出電容的值。</p><p>　　低通濾波器的幅頻特性為：</p><p>　　其幅頻特性如圖所示：</p><p>　　第 5 頁 共 13 頁</p><p>　　1.1 二階低通濾波器原型原理圖 </p

19、><p>　　常用的二階低通濾波器是在一階濾波器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，即將RC無源濾波網(wǎng)絡(luò)由一節(jié)改為兩節(jié)，同時將第一級RC電路的電容不直接接地而接在運放輸出端，引入反饋，以改善截止頻率附近的幅頻特性。其電路結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　當(dāng)電路的增益為1時，此時R4與R3的取值為0，因此，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)圖可作出如下的二階有源低通濾波器的電路圖：</p><p>　　1.2 傳

20、輸函數(shù)計算</p><p>　　二階低通濾波器的傳輸函數(shù)為：</p><p>　　第 6 頁 共 13 頁</p><p><b>　　其中，=，=</b></p><p>　　當(dāng)時，，兩邊取對數(shù)得，通過查表得到二階低通濾波器的傳輸函數(shù)的分母多項式為。</p><p><b>　　

21、推出 Q= 。</b></p><p>　　1.3 阻值、容值計算</p><p>　　由傳函可以推出阻值和容值</p><p><b>　　①</b></p><p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　　C1= ,C2= </b&

22、gt;</p><p>　　取f=5.3KHz，9 </p><p>　　計算出C1=4.7pF,C2=2.35pF。</p><p><b>　　2 元器件選擇</b></p><p>　　由于算出的阻值容值不一定是市場上有賣的標(biāo)稱值，因此需要實際買回元器件，然后再加以分析參數(shù)。實際買到的元件為R1=R2=9.06

23、 ，C1=4.7pF,C2=2.2pF，運放為741。將元件參數(shù)代入計算式中計算出的理論截止頻率為f=5.3KHz。 </p><p>　　3 Multisim 10仿真原理圖及仿真結(jié)果</p><p><b>　　3.1仿真元件圖</b></p><p>　　第 7 頁 共 13 頁</p><p><b

24、>　　3.2 仿真結(jié)果</b></p><p><b>　　3.2.1時域仿真</b></p><p>　　通過模擬示波器仿真，得到的信號不存在失真現(xiàn)象，當(dāng)頻率比較低里，即當(dāng)<5K里，信號的幅度變化不大；而當(dāng)繼續(xù)增大輸入信號的頻率，其輸出波形的幅度逐漸衰減，而且變化比較快，當(dāng)頻率大到一定值以后，波形已經(jīng)基本上完全衰減。</p>&

25、lt;p><b>　　3.2.2頻域仿真</b></p><p>　　第 8 頁 共 13 頁</p><p>　　通過掃頻儀的仿真可知，該電路的幅頻特性與低通濾波器的幅頻特性一致。在低頻</p><p>　　段的幅度幾乎沒有變化，當(dāng)頻率增加到一定值以后幅度開始變小，程一定的線性關(guān)系，斜率也比較大。當(dāng)幅度衰減3dB里的頻率為5.64

26、KHz，仿真的結(jié)果與理論計算的結(jié)果存在一些偏差，畢竟仿真軟件也不是完全理想化的，存在一定的誤差是正常的。 </p><p>　　4 protel設(shè)計原理圖及繪制PCB圖</p><p><b>　　4.1原理圖設(shè)計</b></p><p&g

27、t;　　Protel原理電路圖其實與電路原理圖是一致的，用這個軟件畫電路時，各種元件與真實中的元件差不多，有管腳之分，而且也要確定各個元件的封裝，這樣才能正確的在電路中裝入元件。同時也要確定輸入、輸出、接地以及電源等各個接口。</p><p><b>　　4.2 PCB圖</b></p><p>　　PCB圖其實就是與實際中做出來的電路板相似的圖，因為實際電路板的尺寸

28、與布線完全由PCB圖決定的。PCB電路圖是由之前的原理圖導(dǎo)入而來，其實要完成的就是各個元件之間的連線。銅線的大小以及各個元件擺放的位置要合理，這樣才能更好地完成電路板的制作。</p><p>　　第 9 頁 共 13頁</p><p>　　5 測試結(jié)果與分析</p><p>　　測試時，電路的外加電源電壓為+5V和-5V，輸入一個1V的正弦波，調(diào)</p

29、><p>　　節(jié)信號源頻率，使得達(dá)到最大值，觀察信號幅度隨頻率的變化著么，記錄下特定頻率點下的信號幅度峰峰值。當(dāng)頻率變化使得輸出的信號幅度變化為最高幅度的倍，即，此時的頻率即為低通濾波器的截止頻率。</p><p>　　測試電路如果沒有信號輸出，一般是由于以下幾個原因?qū)е拢弘娫?、信號源是否開啟；接線是否正確；線路是否好的；電路是否存在虛焊情況以及元件是否損壞等原因。在排除了這些問題后，最終測試

30、如下：</p><p>　　觀察測試的數(shù)據(jù)，該電路具有低通濾波器的性能，當(dāng)頻率相對比較低時，基本上沒有太多的衰減，這就是在低通濾波器的能帶范圍內(nèi)的信號；當(dāng)信號的頻率漸漸增大時，進(jìn)入到濾波器的衰減帶，信號的衰減會越來越大，而且衰減的幅度程定的線性，符合低通濾波器的幅頻特性曲線。其幅頻特性曲線圖如下：</p><p>　　第10頁 共13 頁</p><p>　　

31、由測試的結(jié)果可知道，當(dāng)=6KHz時，，即在該頻率處，幅度衰減了</p><p>　　3dB，則=6KHz。由于設(shè)計的理論指標(biāo)為=5.3KHz，因此，計算出該電路的誤差為13.2%。</p><p>　　實際做出的電路板測試出來的結(jié)果與設(shè)計之初的指標(biāo)存在了一定的差距，產(chǎn)生這種情況的原因分析如下：</p><p>　　①在購買電容時因為沒有2.35pF大小的電容，故選擇

32、了與電容值大小相近的2.2pF，</p><p>　　因此電容C2的值與理論算出的值存在偏差；</p><p>　　②實際電路與理論的存在偏差是不可避免的，這是由于理論上的電路是完全理想化的電路，沒有器件本身造作工藝等問題的存在，實際中的器件本身存在精度問題，不可能與理論值相等。</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p>

33、;<p>　　通過這次低通濾波器的設(shè)計，對濾波器的原理有了更為深刻的了解，掌握了其基本原型、指標(biāo)設(shè)定、參數(shù)計算、元件選擇以及電路實現(xiàn)。</p><p>　　設(shè)計中用到了multisim和protel軟件。multisim作為一種電路的模擬仿真軟件，能夠很好地仿真所設(shè)計電路的結(jié)果，對于設(shè)計電路有著很好的輔助作用。。這兩種軟件對于設(shè)計與制作電路是非常有用的工具，通過這次設(shè)計電路得到了很好的掌握。<

34、/p><p>　　要完成一個電路，需要經(jīng)過一定的流程，包括：了解原理、通過指標(biāo)計算參數(shù)、仿真測試、畫PCB圖、制板、焊接、測試和調(diào)試的過程。在這次的設(shè)計中得到了很好的學(xué)習(xí)。</p><p>　　實際做出來的電路板經(jīng)常測試后與理論電路存在一定的偏差，其原因如結(jié)果分析中的那樣。在設(shè)計之初通過計算得到的參數(shù)在實際電路中只能作為參考選擇，要完全能滿足指標(biāo)的要求，可相應(yīng)地更改電路中元件的值的大小，通過不

35、斷的測試才能最終滿足要求。</p><p>　　通過這次的課程設(shè)計，很好地懂得了其設(shè)計流程及方法，為今后做設(shè)計打下了基礎(chǔ)。</p><p>　　第 11頁 共13 頁</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　本次課程設(shè)計能夠得以很好地完成，首先感謝指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，在整個設(shè)計制作過程中給予了

36、大量建議和幫助。在此向劉老師表示感謝。</p><p>　　課課程設(shè)計的順利完成，也離不開其它各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心和幫助。在整個的電路制作中，各位老師、同學(xué)和朋友積極的幫助我查資料，并提出了很好的建議和意見，在他們的幫助下，電路的設(shè)計以及報告得以不斷的完善，最終完成了課程設(shè)計。 另外，要感謝所有傳授我知識的老師，是你們的教導(dǎo)使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是課程設(shè)計得以完成的基礎(chǔ)。</p>&l

37、t;p>　　同時還要感謝xx提供了各種設(shè)備。</p><p>　　第 12 頁 共13頁</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　岡村廸夫（日), 王玲等譯.OP放大電路設(shè)計. 北京：科學(xué)出版社, 2004年9月</p><p>　　黃席椿等編.濾波器綜合法設(shè)計原理. 北京

38、：人民郵電出版社，1978</p><p>　　王衛(wèi)東.模擬電子電路基礎(chǔ).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003</p><p>　　Sanjit K. Mitra 著，闊永紅 改編 .數(shù)字信號處理——基于計算機的方法(第三版). 北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　遠(yuǎn)坂俊昭 (日), 譯者:彭軍.測量電子電路設(shè)計:濾波器篇.北京：科學(xué)出版社, 20

39、06</p><p>　　第 13 頁 共13 頁</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　元件清單列表：</b></p><p>　　CommentFootprint</p><p><b>　　電容：</b>

40、</p><p>　　4.7pF RAD0.15</p><p>　　2.2pF RAD0.15</p><p><b>　　電阻：</b></p><p>　　9.1K AXIAL0.3</p><p><b>　　運放：</b></p