課程設計--- 二階有源低通濾波器

1、<p>　　課程設計(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>　　學生姓名： <

2、/p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </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。本次設計采用有源濾波器電路（即集成運算放大器和RC網(wǎng)絡構成）進行設計。參考課本《模擬電子電路基礎》以及《OP放大電路設計》、《濾波器綜合法設計原理》等書籍，最終選擇具有負反饋的二階有源低通濾波器電路。將電路指標定為截止頻率：=5.

4、3k Hz，通帶增益：Av=1。首先推導計算出相應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，測試結果驗證。</p><p>　　關鍵詞：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 …………………………………………………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果……………………………………6</p><p>　　3.1 仿真原件圖…………

10、……………………………………………………6</p><p>　　3.2 仿真結果…………………………………………………………………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設計原理圖及繪制PCB圖……………………………………8</p><p>　　4.1 原理圖設計………………………………………………………………8</p><p>　　PCB圖……………………………………………………………………8</p><p>　　5 測試結果與分析 ………………………………………………………9</p><p>　

12、　6 結論 ……………………………………………………………………10</p><p>　　謝辭 ………………………………………………………………………11</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………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，濾波器被廣泛地應用在通信和信號處理等領域。<

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、所構成的濾波器電路；有源濾波器是指由放大電路及RC網(wǎng)絡構成的濾波器電路。 </p><p>　　對于有源濾波器，通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，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 </p><p>　

17、　一階有源濾波器電路結構簡單，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上改進的，即將RC無源網(wǎng)絡由一節(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)絡中的電阻取相同的值，再根據(jù)與頻率的關系計算出電容的值。</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上改進的，即將RC無源濾波網(wǎng)絡由一節(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。其電路結構圖如下：</p><p>　　當電路的增益為1時，此時R4與R3的取值為0，因此，根據(jù)電路結構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>　?、?lt;/b></p><p><b>　　②</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，當頻率比較低里，即當<5K里，信號的幅度變化不大；而當繼續(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，當頻率增加到一定值以后幅度開始變小，程一定的線性關系，斜率也比較大。當幅度衰減3dB里的頻率為5.64

26、KHz，仿真的結果與理論計算的結果存在一些偏差，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設計原理圖及繪制PCB圖</p><p><b>　　4.1原理圖設計</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</p

29、><p>　　節(jié)信號源頻率，使得達到最大值，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導致：電源、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的信號；當信號的頻率漸漸增大時，進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、由測試的結果可知道，當=6KHz時，，即在該頻率處，幅度衰減了</p><p>　　3dB，則=6KHz。由于設計的理論指標為=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果與設計之初的指標存在了一定的差距，產(chǎn)生這種情況的原因分析如下：</p><p>　?、僭谫徺I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 結論</b></p>

33、;<p>　　通過這次低通濾波器的設計，對濾波器的原理有了更為深刻的了解，掌握了其基本原型、指標設定、參數(shù)計算、元件選擇以及電路實現(xiàn)。</p><p>　　設計中用到了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計電路的結果，對于設計電路有著很好的輔助作用。。這兩種軟件對于設計與制作電路是非常有用的工具，通過這次設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、通過指標計算參數(shù)、仿真測試、畫PCB圖、制板、焊接、測試和調試的過程。在這次的設計中得到了很好的學習。</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，其原因如結果分析中的那樣。在設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，要完全能滿足指標的要求，可相應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>　　通過這次的課程設計，很好地懂得了其設計流程及方法，為今后做設計打下了基礎。</p><p>　　第 11頁 共13 頁</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　本次課程設計能夠得以很好地完成，首先感謝指導老師的指導，在整個設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>　　課課程設計的順利完成，也離不開其它各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在整個的電路制作中，各位老師、同學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，電路的設計以及報告得以不斷的完善，最終完成了課程設計。 另外，要感謝所有傳授我知識的老師，是你們的教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是課程設計得以完成的基礎。</p>&l

37、t;p>　　同時還要感謝xx提供了各種設備。</p><p>　　第 12 頁 共13頁</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　岡村廸夫（日), 王玲等譯.OP放大電路設計. 北京：科學出版社, 2004年9月</p><p>　　黃席椿等編.濾波器綜合法設計原理. 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.西安：西安電子科技大學出版社，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>　　遠坂俊昭 (日), 譯者:彭軍.測量電子電路設計:濾波器篇.北京：科學出版社, 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