课程设计(论文)说明书 题 目： 有源低通滤波器 信息与通信学院 通信工程 院 （系） ： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 2010 年 12 月 19 日 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 14 页 摘 要 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的 频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。有源滤波器是指 由放大电路及 RC 网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。 滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但 RC 网络节数越多，元件参数计算越 繁琐，电路的调试越困难。根据指标，本次设计选用二阶有源低通滤波器。 关键词：低通滤波器；集成运放 UA741； RC 网络 Abstract Low-pass filter is a component which can only pass the low frequency signal and attenuation or inhibit the high frequency signal . Ideal frequency response of the filter circuit in the pass band should have a certain amplitude and linear phase shift, and amplitude of the resistance band to be zero. Active filter is composed of the RC network and the amplifier, it actually has a specific frequency response of the amplifier. Higher the order of the filter, the rate of amplitude-frequency characteristic decay faster, but more the number of RC network section, the more complicated calculation of device parameters, circuit debugging more difficult. According to indicators ，second-order active low-pass filter is used in this design . Key words：Low-pass filter； Integrated operational amplifier UA741； RC network, 1 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 14 页 目 录 引言…………………………………………………………………………....3 1 电路原理及设计方案……………………………………………………..3 1.1 滤波器的介绍………………………………………………………………3 1.2 有源滤波器的设计………………………………………………………….3 1.3 设计方案……………………………………………………………………5 2 芯片介绍…………………………………………………………………...6 2.1 运放 UA741…………………………………………………………………..6 3 multisim7辅助仿真及修正……………………………………………….7 4 制板及调试………………………………………………………………...8 4.1 DXP注意事项………………………………………………………………...8 4.2 制作 pcb 板的流程……………………………………………………….…..8 4.3 注意事项……………………………………………………………….…....8 4.4 调试…………………………………………………………………….…...8 4.5 测试结果和幅频图分析……………….............................................................9 课设总结……………………………………………………………………….10 谢辞………………………………………………………………….................12 参考文献…………………………………………………………….................13 附录………………………………………………………………………….....14 2 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 14 页 引言 课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设 计训练。本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板 等综合于一体的一门课程，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际 的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度,培养学生综合运用所学知识与生产实践 经验，分析和解决工程技术问题的能力。作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识，还 需要过硬的动手能力，所以认真做好课程设计，对提高我们的动手能力有很大的帮助做 到。 本次课设介于采用 butterworth 快速设计，采用查表法结合仿真，做板联合实际调 节。 1 电路原理及设计方案 1.1 滤波器的介绍 滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子 装置。 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的 频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不 能达到理想要求。为了寻找最佳的近似理想特性，本文主要着眼于幅频响应，而不考虑 相频响应。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。 滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但 RC 网络节数越多，元件参数计 算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对 于 n 为偶数的高阶滤波器，可以由 n/2 节二阶滤波器级联而成；而 n 为奇数的高阶滤波 器可以由(n-1)/2 节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤 波器是高阶滤波器的基础。 1.2 有源滤波器的设计 有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数 n，选择具体 的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指 标要求，具体步骤如下： （1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数 n。 （2）选择具体的电路形式。 （3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系 数的方程组。 （4）解方程组求出电路中元件的具体数值。 （5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。 3 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 14 页 根据设计要求，我选择巴特沃斯滤波器。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有 最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。选择二阶有源低通滤波器电路，即n=2。 有源2阶低通滤波器电路如图1.1所示，压控电压源二阶滤波器电路的特点是：运算 放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压 源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。 图1.1 有源低通滤波器电路图 在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的 极性不相同，当信号频率f＞＞fc时（fc 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋 于-90?，两级RC 电路的移相到-180?，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时 通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用， 使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰 减，只允许低频端信号通过。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： Au ( j? ) ? Auo ?? 1? ? ?? ? c ? ? ? ? 2n ， n=1，2，3，. . . Au ( j? ) ? Auo 1 ? ? 1? ? ?? c ? ? ? ? ? 2n Butterworth的二阶归一化传递函数为：H（s）=1/(s*s+1.414*s+1)；它的化归一 4 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 14 页 化传递函数可以表示成两个多项式的比: Au ( s) ? Auo? c2 s ? 2 ?c Q A(s) 2 c （2–1） s ?? 其中Auo为通带内的电压放大倍数，?C为截止角频率，Q为品质因子。从（1）式中可 知，当?=0时， （1）式有最大值1；?=?C时， （1）式等于0.707，即Au衰减了3dB； ?c ? 1 R1 R2 C1C 2 ? 2?f c ； （2–2） （2–3） Av=1+R4/R3； 1.3 设计方案 电路元器件值 Av 1 2 4 R1′ 1.422 1.126 0.824 R2′ 5.399 2.250 1.537 R3′ 开路 6.752 3.148 R4′ 0 6.752 9.444 C1 0.33C C 2C 注：电阻为参数k=1 时的值，单位为kΩ 6 0.617 2.051 3.203 16.013 2C 8 0.521 2.429 3.372 23.602 2C 取Av=1，根据公式（2–3） ，选择R3≈∞，R4≈0； 为了得到相对应的电阻值，需要算出K值，用K值乘以相应的R′得到R；而 K=100/(fc*C) （2–4） 注释：C以uf作为单位，fc以hz为单位。K值不能太大，否则会使电阻的取值较大， 从而使引入的误差增加，通常选择1《 K《10. 本次课程设计我们取K=1，由公式（2–4）及表1中Av=1得fc=3000hz，C≈33.33nF， C1≈11nF。取标准值为C=33nF，C1=11nF； R1=1.422*1=1.422取R1为1.4K，R2=5.399*1=5.399取R1为5.4k，R3=0，R4≈∞； 验证：由 ? c ? 1 R1 R2 C1C 2 ? 2?f c ，代入数据，R1=1.422k,R2=5.399k，C=33.33nF， C1=11nF，算出fc=3001.6Hz，符合要求。 代入设计值得到的简化电路图1.2 5 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 14 页 图1.2 2 芯片介绍 2.1 UA741集成运放 图2.1 UA741管脚图 UA741管脚图为图2.1。UA741芯片是高增益运算放大器，常用于军事，工业和商业 应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 第2管脚是负输入端； 第3管脚是同相端输入端； 第4和第7管脚分别为负直流源和正直流源输入端； 第6管脚为输出端；第8管脚是悬空端； 第1管脚和第5管脚是为提高运算精度。 在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当 运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，调零 端接入电位器，用直流电压表测量输出电压Uo，细心调节调零电位器，使Uo为零（即失 调电压为零） 。 如果一个运放如不能调零，大致有如下原因： （1）组件正常，接线） 组件正常，但负反馈不够强，为此可将其短路，观察是否能调零。 （3）组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而 6 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 14 页 不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。 （4）组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。 （5）组件内部损坏，应更换好的集成块。 3 multisim辅助设计及修正 由于元器店没有11nf的电容卖，所以用10nf的代替，相应的电阻也改变 通过multisim仿真软件对上述电路进一步修正，修正的结果为图3.1： 图3.1 其频域仿线： multisim仿线 multisim仿真得到的频域图 上图所示，仿真出来的效果达到设计要求。 7 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 14 页 4 制板及调试 4.1 DXP注意事项 电路绘制的时候主要是注意各个元器件的封装和实际买回来的元器件的管脚大小 及距离相对应，并有选择地采用排针作为信号的输入以及输出和直流电源的输入。元器 件采用手动布局。布线采用手动布局，布线时需要设计好参数。一般线mm。 电路板的长宽为： 32mm×42mm。 实际板子大小为： 40mm×62mm 绘制好的pcb的sch电路图看附录。Pcb板请看附录图2. 4.2 制作pcb板的流程 设计好原理图sch→→改变封装→→绘制 pcb 板→→布局布线→→打印 pcb 图纸→→ 印制铜板→→腐蚀铜板→→钻孔→→焊接元器件→→测板→→修改电路→→测试（直到 符合设计要求） 。 4.3 注意事项 （1）电阻的标称值应尽可能接近设计值，这可以适当选用几个电阻串并联；尽可 能采用金属膜电阻电容及容差小于10%的电容，影响滤波器性能的主要因素是 △R/R、 △C/C及运放的功能。 （2）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则根据设计表调整修正 相应元器件的值。 （3）制作板子过程中，为了节省材料，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳 的功能。所以板子元器件布局紧密。而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少。焊盘过孔 设计合理。 4.4 调试 对安装好的电路按一下方法进行调整和测试： （1） 仔细检查装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。 （2） 在电路的输入端Vi=1V的正弦信号，慢慢改变输入的信号的频率，用示波器观 察输出电压的变化。在滤波器的截止频率附近，观察电路是否具有滤波特性， 若没有滤波特性，应检查电路，找出故障原因并排除之。 （3） 若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。观测其截止频率是否满足设计要 求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既 能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。然后观测电压放大倍数 是否满足设计要求，若不达到要求，应根据相关公式调整有关的元件，使其 达到设计要求。 通过测试设计值点电路板的结果，对电路板进行修正以达到设计要求。 8 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 14 页 设计指标：fc=3khz，增益为Av=1。输入信号Vi=1V，观察滤波器的截止频率fc及电 压放大倍数Av。按要求理论测试结果应为：在相对低频时，如fc=100Hz，电压放大倍数 为1；在fc=3khz时，Av=0.707。 4.5 测试结果和幅频图分析 测试结果显示fc=2.1khz，不符合截止频率为3khz的要求。经过多次分析，认为理 论的设计的方法和实际的不符。并由 ?c ? 1 R1 R2 C1C 2 ? 2?f c 得知，假如实际的截止频率比所要求的截止频率小，则要求把电阻或者电容减小； 假如实际的截止频率比要求的大，则要求把电阻或者电容增大。 由于测试的截止频率比设计要求的低， 所以要提高它的截止频率。 假定电容不变了， 则电阻值R↑→Wc↓→fc↓和R↓→Wc↑→fc↑；可以判定原来的电路的电阻值过大。 介于个人经验不足，调试了好久，但是还是没有满足要求。后来用两个滑动变阻器 替换两个电阻，逐步调试，结果当R2=1k，R1=2.7k时满足要求。 即R2=1k，R1=2.7k，C=33nf，C1=10nf，做出上述的改变之后各项设计要求基本达 标。 电路测试得到的输出电压和频率Vo～fc关系表1： fc Vo fc Vo fc Vo 表1 0.1 0.4 0.6 0.8 10. 1.2 1 1 0.988 0.986 0.946 0.924 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 0.758 0.730 0.708 0.672 0.642 0.618 5 5.4 5.8 6.2 6.6 7 0.444 0.408 0.376 0.340 0.312 0.3 fc/khz， Vo/V 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 0.908 0.890 0.864 0.844 0.814 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 0.586 0.558 0.536 0.510 0.492 7.5 8.0 0.258 0.236 2.4 0.79 4.8 0.476 它的频率特性曲线 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 14 页 图4.1 频率特性曲线图 通过上图可知，在输入频率为3khz之前，输出的电压值大于0.708V，即在低频段时 Q值大于0.707， 衰减速率符合设计要求。 在输入频率为3khz时， 衰减因子Q为0.707左右。 课设总结 利用公式法设计有源二阶低通滤波器，要求解多元高阶方程组；若采用查表法求解 电路参数，就简单得多。因此应尽量采用查表法求解电路参数，以减少电路运算复杂程 度。虽然可能误差很大，但是能够带来很大的方便。初学设计时尽量能快速找到解决问 题，培养解决问题的能力，积累设计经验。 通过此次的课设，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在 论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且 由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的 突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过课程设 计，学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相 结合的问题。 在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学 问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在 做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找 到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做 起事情来就可以事倍功半。 10 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 14 页 在设计电路过程中，理论知识很重要，理论知识决定了设计的方法，设计电路的成 败。所以需要查找很多资料，需要足够的耐心、细心去研究问题，解决问题。同时还必 须有实事求是地分析问题的态度，知道理论与实际是有一些差别的。 认清问题是前提， 分析问题才是关键， 只有认真地去分析问题才能更好的解决问题， 分析问题时必须具备细心，耐心，恒心和毅力，同时还必须做到科学地具体地实事求是 地分析问题。在调试电路时，考虑器件的电气性，尽量减少器件间的干扰。 调试的过程中要有平和的心态，遇见问题是非常正常的，要做的就是多做比较和分 析，逐步的排除可能的原因，要坚信“凡事都是有办法解决的”和“问题出现一定有它 的原因” ，这样最后一定能调试成功。 11 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 14 页 谢 辞 这次课程设计的能够顺利地完成， 感谢在课设期间每位帮助过我的同学， 特别是我 们班的同学，他们和我分享了很多以往的经验，让我少走很多弯路。还要感谢所有传授 我知识的老师，是他们的悉心教导使我有了一定的专业课知识，这也是课设能够得以完 成的基础。再次感谢传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢。 ， 12 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 14 页 参考文献： [1] 王卫东.模拟电子电路基础，西安电子科技大学出版社，2003. [2] 熊发明.新编电子电路与信号课程实验指导，国防工业出版社，2007. [3] [美]Richard G. Lyons.Understanding Digital Signal Processing.机械工业出版社，2006. [4] 谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）.华中科技大学出版社，2006. [5] 陈 思.巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计. 信阳师范学院学报， 1977. 13 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 14 页 附 录： 原理图 1 PCB 图 2 14
