课程设计说明书课程设计名称： 低频电子课程设计 课程设计题目： 二阶有源低通滤波器的设计 信息工程学院专业： 电子信息工程学院 班级： 090111 学号： 09041132 姓名： 评分： 教师： 201 滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一 般可分为有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波 设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。从滤波器阶数可分 为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤 波器级联而成。采用集成运放构成的RC 有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗 低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。压控电压源型二阶低通滤波电路和 无限增益二阶低通滤波器是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级 分别用分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路，并利用Multisim10 仿真软件对电路的频率特性、特征参量等进行了仿真分析，仿真结果 与理论设计一致参量等进行了仿真分析，仿真结果要与理论设计一致，为设计成 功提供依据。 关键词 二阶有源低通滤波器；压控；无限增益；仿真分析； 《模拟电路》 课程设计任务书 20 10 －20 11 学年 题目二阶带通滤波器的设计 内容及要求 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；2、中心频率f 4、品质因数Q＝0.707进度安排 学生姓名：张超指导时间2011 月21日～2011 指导地点：E楼607 任务下达20 11 任务完成2011 考核方式1.评阅 目录第一章 设计任务与要求 第二章方案设计与选择 2.1方案一：一阶有源低通滤波器电路 2.2方案二：压控电压源二阶低通滤波电路 2.3方案三：三阶压控电压源低通滤波器 2.4方案四：无限增益多路反馈低通滤波电路 第三章单元电路设计与参数计算 103.1 功能电路部分电路设计以及参数计算: 103.11 压控电压源二阶低通滤波电路 103.12 无限增益多路负反馈二阶低通滤波器..........................................................11 第四章 安装与调试 124.1 安装................................................................................................................ 12 4.2 调试步骤......................................................................................................... 12 4.21 压控电压源二阶低通滤波电路 124.22 无限增益多路负反馈二阶低通滤波器........................................................ 13 第五章 性能测试与分析 165.1．二阶低通滤波电路的测试及分析： 165.11 仿线附录一 芯片管脚 20附录二 原件清单 21附录三 总原理电路图 压控电压源二阶低通滤波电路...............................................................................23 23附录四 作品实物图 24第一章 设计任务与要求 品质因数Q＝0.707第二章 方案设计与选择 由设计任务与要求可知，本实验设计功能电路部分要求分别用压控电压源和 无限增益多路反馈二种方法设计，所以在焊接电路板时，要将两种设计方法的电 路板都焊接出来，且其参数设计要符合：截至fc=2000Hz，增益 Av= 三个条件。.功能电路部分 2.1 方案一：一阶有源低通滤波器电路 实验电路图如下所示： 一阶有源带通滤波器2.2 方案二：压控电压源二阶低通滤波电路 实验电路图如下所示： 压控电压源二阶带通滤波对比方案一和方案二：一阶电路的过度带较宽 ，幅频特性的最大衰减斜率仅 为-20dB/十倍频，而且此时的通带截至频率fp 远离特征频率 fO 阶带通滤波电路中，其衰减斜率可达-40dB/十倍频，电路过度带相对较窄，有 利于滤波电路更好的实现滤波功能。而且电路中引入了负反馈，用以增大 fO 近的电压放大倍数，使得通带截至频率fp 接近特征频率 fO，使滤波特性趋于理 想。电路中还引入了适当的正反馈，使得 fO 附近的电压放大倍数增大，又不会 因为正反馈过强而产生自激震荡。所以通过对比方案二具有比方案一更好的滤波 特性，所以在实际焊接电路板时选择方案二。 2.3 方案三：三阶压控电压源低通滤波器 实验电路图如下： 三阶压控电压源低通滤波器2.4 方案四：无限增益多路反馈低通滤波电路 无限增益多路反馈低通滤波电路对比方案三和方案四：三阶压控电压源带通滤波器的幅频特性较好，最大衰减 斜率可达-60 dB/十倍频，但是在该电路中有两级放大电路，最终的截至频率要 依靠两级滤波电路的截至频率共同决定，所以受各级电路的影响较大，要在电路 调试过程中达到静态平衡比较困难，而且电路中的偏置电流及其漂移均对电路具 有一定的影响。在实际操作的焊接过程中，元器件较多使得电路的最终功能难以 得到保证；无限增益多路反馈带通滤波电路中，幅频特性也相对较好，最大衰减 斜率可达-40 dB/十倍频，相对方案三中的电路，方案四中只有一级放大电路， 并且该滤波电路不会因为通带放大倍数数值过大而产生自激振荡，电路中的运放 可以看成理想运放，即可认为其增益无穷大，使得通带截至频率fp 更加接近特 征频率fO，即使得电路幅频特性更好，而且电路中原器件较少，有利于实际操作 的焊接过程。所以通过对比方案四具有比方案三更好的滤波特性和实际使用价 值，，所以在实际焊接电路板时选择方案四。 第三章 单元电路设计与参数计算 3.1 功能电路部分电路设计以及参数计算: 3.11 压控电压源二阶低通滤波电路 时，增益Aup=2.，截至频率RC 式中Aup表示增益，Wo 表示截止频率，Q 为品质因数，Q=0.707. 所以根据上述推导公式可得：电路设计时应该使得 根据市场能买到的器件，则可以取 ，然后由中心频率计算公试可以取 C1=C2=0.1uF,可以得出电阻R1=596.58k,R4=1.06255k. 可以用2k 的电位器代替， 基本达到设计要求了。 3.12 无限增益多路负反馈二阶低通滤波器 无限增益多路负反馈二阶低通滤波电路图电路如图所示,该电路的传输函数为： 其中 为中心角频率。 为电压放大倍数， 为中心角频率。为电压放大倍数， 根据上述推导公式可得：电路设计时应该使得C1=C2，根据市场能买到的器件，则可以取 C1= C3=0.1uF，然后由中心频率计算公式，电压增益公式以及品质因 素的公式计算参数，依据以上三个公式，取 fO=2KHz，Q=0.707，Aup=2.令 R1=R2 可得：R1=R2=0.22519K， =0.45038K,而用R1,R2 用2K 的电位器调节，使得其 等于0.22519K 即可基本达到设计要求。 第四章 安装与调试 4.1 安装 按照总原理电路图将元器件正确安装在电路板上，先部好局。还应值得注意 的就是LM324 芯片管脚分配，不要因为接错管脚而实现不了功能。检查好布局， 最后再去焊接。在焊接的时候不要虚焊，焊点要均匀。 4.2 调试步骤 根据原理，增益Q 截至频率f=2000Hz,两个方案分别进行调试。 4.21 压控电压源二阶低通滤波电路 其仿真电路图如下： 当输入的频率是1000HZ ，2000HZ， 30000JHZ 的交流电源是 输出信号的波形图分别如下： 输出与输入的倍数关系分别是2 倍，1.4 然后是截至了，趋于0. 滤波器 的滤波效果已经达到， 截至频率是2000HZ。小于2000HZ 时，输出波放大2 输入信号频率30000Hz，输入信号与输出信号的波形图4.22 无限增益多路负反馈二阶低通滤波器 其仿真电路图如下： 输入频率分别是1000HZ， 2000HZ， 30000HZ； 其输出的放大倍数分别是2 当输入信号频率是30000HZ时，已被 截至了，信号不能通过，已经达到滤波的效果！ 输入信号频率30000Hz，输入信号与输出信号的波形图第五章 性能测试与分析 5.1．二阶低通滤波电路的测试及分析： 5.11 仿线.压控电压源二阶带通滤波电路： 输入电压Ui=1.0V Vpo/v增益Av 100 1.0 2.008 2.008 500 1.0 2.000 2.000 1000 1.0 1.999 1.999 2000 1.0 1.389 1.389 2500 1.0 0.987 0.987 4000 1.0 0.276 0.276 20000 1.0 0.002 0.002 压控电压源二阶低通滤波电路实验值2.无限增益多路反馈低通滤波器电路： 输入电压Ui=1v Vpo/v增益Av 100 1.0 2.010 2.010 500 1.0 2.002 2.002 1000 1.0 1.845 1.845 2000 1.0 1.430 1.430 2500 1.0 0.930 0.930 4000 1.0 0.822 0.822 10000 1.0 0.0002 0.0002 无限增益仿线．误差分析： 信号发生器的输出信号不够稳定，使得输出信号也发生波动，判断时受到影响，无法精确的确定参数是否合格。 操作使用时与仿真测试并不相同，虽然经调试后已合格，但是并不能说十分精确。 第六章 结论与心得 经过实验数据的检验可以得出：在输入频率小于 2000Hz 时，电路的增益接 2，而在输入信号的频率逐渐增大至2000Hz 时，增益在 1.4 左右，于后频率 逐渐增大，增益趋于零。在合理的误差范围内，以上的数据都符合设计要求。 通过本次的课程设计，让我体会到学习模拟电路这门课程，不仅要掌握好理 论的知识，还要通过理论来联系实际。发现在实际过程中很难做到与理论相同的 结果。在此次设计中我按照书上的公式推出实验所需要的参数，设计这个带通滤 波电路我使用了两种方法。采用了压控和无限增益的方法。设计好之后拿去实验 室调试，发现采用无限增益的方法产生的误差还是比较大的。我检查了电路发现 电路板有个地方焊错了的。还有计算电阻的时候没有计算的很精确，也因为找不 到那个阻值的电阻，所以就用比较接近的阻值代替了。再加上这块电路板的焊点 不是很均匀，存在许多不足的地方，所以使得实验测出的数据误差比较大，虽然 勉强过了，但使得此次的课程设计分数比较低。在设计压控这个电路图的参数时 候，我算出结果，而且请教了其他同学一起帮忙计算，发现算出的阻值都不怎么 一致，后来我通过用软件仿真才找到一个比较合理的参数，但是小电阻很难买到 了，我只能用电位器来代替。 在做实验之前我们应该多进实验室去调试，尽量早点发现问题早点解决，而 不是盲目的在设计或做实验。总之，此次课设收获很多，感受也很多，为以后的 学习带来了偌大的帮助。 参考文献 1．童诗白、华成英.模拟电子技术基础[M] .北京；高等教育出版社.2001 2．彭介华.电子技术实验与课程设计[M]；高等教育出版社 2005 青木英彦、周难生.模拟电路设计与制作[M]；科学出版社 2008 王港元.电工电子实践指导[M]；江西科学技术出版社 2007 许素贞、杜群羊、吴海青.模拟电子技术基础与应用实例[M].北京；北京航 空航天出版社 2009 7．劳五一，劳佳.模拟电子电路分析、设计与仿真[M]；清华大学出版社 2009 附录一 芯片管脚 附录二 原件清单 元件序号 型号 数量(个) 电位器 2K 10 电容 0.1uf 电容0.01uf 电容0.22uf 芯片LM324 附录三总原理电路图 限增益多路负反馈二阶低通滤波器附录四 作品实物图
