低通濾波器課程設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　低通濾波器是一個(gè)通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。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，它實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。

2、根據(jù)指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)選用二階有源低通濾波器。</p><p>　　關(guān)鍵詞：低通濾波器；集成運(yùn)放UA741； RC網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Low-pass filter is a component which can only pass the low frequency signal a

3、nd 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 zer

4、o. 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 character</p><p

5、>　　Key words：Low-pass filter； Integrated operational amplifier UA741； RC network,</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　引言…………………………………………………………………………....3</p><p>　　1 電路原理及

6、設(shè)計(jì)方案……………………………………………………..3 </p><p>　　1.1 濾波器的介紹………………………………………………………………3</p><p>　　1.2 有源濾波器的設(shè)計(jì)………………………………………………………….3</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)方案……………………………………………………………………5</p><p

7、>　　2 芯片介紹…………………………………………………………………...6</p><p>　　2.1 運(yùn)放UA741…………………………………………………………………..6</p><p>　　3 multisim7輔助仿真及修正……………………………………………….7</p><p>　　4 制板及調(diào)試……………………………………………………………

8、…...8</p><p>　　4.1 DXP注意事項(xiàng)………………………………………………………………...8</p><p>　　4.2 制作pcb板的流程……………………………………………………….…..8</p><p>　　4.3 注意事項(xiàng)……………………………………………………………….…....8</p><p>　　4.4 調(diào)試

9、…………………………………………………………………….…...8</p><p>　　4.5 測(cè)試結(jié)果和幅頻圖分析……………….............................................................9</p><p>　　課設(shè)總結(jié)……………………………………………………………………….10</p><p>　　謝辭…

10、……………………………………………………………….................12</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………….................13</p><p>　　附錄………………………………………………………………………….....14</p><p><b>　　引言</b><

11、/p><p>　　課程設(shè)計(jì)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。本次課程設(shè)計(jì)主要注重的是電子電路的設(shè)計(jì)、仿真、安裝、調(diào)試、印制電路板等綜合于一體的一門(mén)課程，意在培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想方法以及思路，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力。作為一名大學(xué)生不僅需要扎實(shí)的理論知識(shí)，還需要過(guò)硬的動(dòng)手能力，所以認(rèn)

12、真做好課程設(shè)計(jì)，對(duì)提高我們的動(dòng)手能力有很大的幫助做到。</p><p>　　本次課設(shè)介于采用butterworth快速設(shè)計(jì)，采用查表法結(jié)合仿真，做板聯(lián)合實(shí)際調(diào)節(jié)。</p><p>　　1 電路原理及設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　1.1濾波器的介紹</b></p><p>　　濾波器是一種能使有用信號(hào)通過(guò)，濾除信

13、號(hào)中的無(wú)用頻率，即抑制無(wú)用信號(hào)的電子裝置。</p><p>　　有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。</p><p>　　低通濾波器是一個(gè)通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實(shí)際濾波器不能達(dá)到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，本文主要著眼于幅頻響應(yīng)，而不考慮相頻響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，濾波器的幅頻特

14、性越好，其相頻特性越差，反之亦然。</p><p>　　濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成。對(duì)于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由n/2節(jié)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由(n-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級(jí)聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)。</p>&l

15、t;p>　　1.2 有源濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　有源濾波器的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)所給定的指標(biāo)要求，確定濾波器的階數(shù)n，選擇具體的電路形式，算出電路中各元件的具體數(shù)值，安裝電路和調(diào)試，使設(shè)計(jì)的濾波器滿足指標(biāo)要求，具體步驟如下：</p><p>　?。?）根據(jù)阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數(shù)n。</p><p>　?。?）選擇具體的電路形式。</p&g

16、t;<p>　?。?）根據(jù)電路的傳遞函數(shù)和歸一化濾波器傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式，建立起系數(shù)的方程組。</p><p>　　（4）解方程組求出電路中元件的具體數(shù)值。</p><p>　　（5）安裝電路并進(jìn)行調(diào)試，使電路的性能滿足指標(biāo)要求。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選擇巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是通帶到阻帶

17、衰減較慢。選擇二階有源低通濾波器電路，即n=2。</p><p>　　有源2階低通濾波器電路如圖1.1所示，壓控電壓源二階濾波器電路的特點(diǎn)是：運(yùn)算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)整。</p><p>　　圖1.1 有源低通濾波器電路圖</p><p>　　在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸

18、入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率f＞＞fc時(shí)（fc 為截止頻率），電路的每級(jí)RC 電路的相移趨于-90º，兩級(jí)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(shí)通過(guò)電容C引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋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(hào)通過(guò)。</p>&l

19、t;p>　　巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性為：</p><p>　　， n=1，2，3，. . . </p><p>　　Butterworth的二階歸一化傳遞函數(shù)為：H（s）=1/(s*s+1.414*s+1)；它的化歸一化傳遞函數(shù)可以表示成兩個(gè)多項(xiàng)式的比:</p><p>　　A(s) （2–1）&l

20、t;/p><p>　　其中Auo為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，C為截止角頻率，Q為品質(zhì)因子。從（1）式中可知，當(dāng)=0時(shí)，（1）式有最大值1；=C時(shí)，（1）式等于0.707，即Au衰減了3dB； </p><p>　　； （2–2）</p><p>　　Av=1+R4/R3；

21、 （2–3）</p><p><b>　　1.3 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　取Av=1，根據(jù)公式（2–3），選擇R3≈∞，R4≈0；</p><p>　　為了得到相對(duì)應(yīng)的電阻值，需要算出K值，用K值乘以相應(yīng)的R′得到R；而</p><p>　　K=100/(fc*C) （

22、2–4）</p><p>　　注釋：C以u(píng)f作為單位，fc以hz為單位。K值不能太大，否則會(huì)使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常選擇1《 K《10.</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)我們?nèi)=1，由公式（2–4）及表1中Av=1得fc=3000hz，C≈33.33nF，C1≈11nF。取標(biāo)準(zhǔn)值為C=33nF，C1=11nF；</p><p>　　R1=1.4

23、22*1=1.422取R1為1.4K，R2=5.399*1=5.399取R1為5.4k，R3=0，R4≈∞；</p><p>　　驗(yàn)證：由，代入數(shù)據(jù)，R1=1.422k,R2=5.399k，C=33.33nF，C1=11nF，算出fc=3001.6Hz，符合要求。</p><p>　　代入設(shè)計(jì)值得到的簡(jiǎn)化電路圖1.2</p><p><b>　　圖1.2&

24、lt;/b></p><p><b>　　2 芯片介紹</b></p><p>　　2.1 UA741集成運(yùn)放</p><p>　　圖2.1 UA741管腳圖</p><p>　　UA741管腳圖為圖2.1。UA741芯片是高增益運(yùn)算放大器，常用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖

25、自由運(yùn)作。</p><p>　　第2管腳是負(fù)輸入端；</p><p>　　第3管腳是同相端輸入端；</p><p>　　第4和第7管腳分別為負(fù)直流源和正直流源輸入端；</p><p>　　第6管腳為輸出端；第8管腳是懸空端；</p><p>　　第1管腳和第5管腳是為提高運(yùn)算精度。</p><p&g

26、t;　　在運(yùn)算前，應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。當(dāng)運(yùn)放有外接調(diào)零端子時(shí)，可按組件要求接入調(diào)零電位器，調(diào)零時(shí)，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓Uo，細(xì)心調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使Uo為零（即失調(diào)電壓為零）。</p><p>　　如果一個(gè)運(yùn)放如不能調(diào)零，大致有如下原因：</p><p>　?。?）組件正常，接線有錯(cuò)誤。</p><

27、;p>　?。?） 組件正常，但負(fù)反饋不夠強(qiáng)，為此可將其短路，觀察是否能調(diào)零。</p><p>　?。?）組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開(kāi)后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，則屬于這種情況。</p><p>　　（4）組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行消振。</p><p>　?。?）組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的

28、集成塊。</p><p>　　multisim輔助設(shè)計(jì)及修正</p><p>　　由于元器店沒(méi)有11nf的電容賣，所以用10nf的代替，相應(yīng)的電阻也改變</p><p>　　通過(guò)multisim仿真軟件對(duì)上述電路進(jìn)一步修正，修正的結(jié)果為圖3.1：</p><p>　　圖3.1 multisim仿真電路圖</p><p&g

29、t;　　其頻域仿真結(jié)果為圖3.2：</p><p>　　圖3.2 multisim仿真得到的頻域圖</p><p>　　上圖所示，仿真出來(lái)的效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　4 制板及調(diào)試</b></p><p>　　4.1 DXP注意事項(xiàng)</p><p>　　電路繪制的時(shí)候主要是注

30、意各個(gè)元器件的封裝和實(shí)際買回來(lái)的元器件的管腳大小及距離相對(duì)應(yīng)，并有選擇地采用排針作為信號(hào)的輸入以及輸出和直流電源的輸入。元器件采用手動(dòng)布局。布線采用手動(dòng)布局，布線時(shí)需要設(shè)計(jì)好參數(shù)。一般線條大小為1mm，，過(guò)孔為1mm，焊盤(pán)為1.8mm。電路板的長(zhǎng)寬為：32mm×42mm。實(shí)際板子大小為：40mm×62mm繪制好的pcb的sch電路圖看附錄。Pcb板請(qǐng)看附錄圖2.</p><p>　　4.2 制

31、作pcb板的流程</p><p>　　設(shè)計(jì)好原理圖sch→→改變封裝→→繪制pcb板→→布局布線→→打印pcb圖紙→→印制銅板→→腐蝕銅板→→鉆孔→→焊接元器件→→測(cè)板→→修改電路→→測(cè)試（直到符合設(shè)計(jì)要求）。</p><p><b>　　4.3 注意事項(xiàng)</b></p><p>　?。?）電阻的標(biāo)稱值應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)值，這可以適當(dāng)選用幾個(gè)電阻

32、串并聯(lián)；盡可能采用金屬膜電阻電容及容差小于10%的電容，影響濾波器性能的主要因素是 △R/R、△C/C及運(yùn)放的功能。</p><p>　?。?）在測(cè)試過(guò)程中，若某項(xiàng)指標(biāo)偏差較大，則根據(jù)設(shè)計(jì)表調(diào)整修正</p><p><b>　　相應(yīng)元器件的值。</b></p><p>　?。?）制作板子過(guò)程中，為了節(jié)省材料，節(jié)約資源，盡量用最少的東西完成最佳的

33、功能。所以板子元器件布局緊密。而提高抗干擾能力，布線時(shí)盡量短，少。焊盤(pán)過(guò)孔設(shè)計(jì)合理。</p><p><b>　　4.4 調(diào)試</b></p><p>　　對(duì)安裝好的電路按一下方法進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試：</p><p>　　仔細(xì)檢查裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無(wú)誤后，接通電源。</p><p>　　在電路的輸入端Vi=1V的

34、正弦信號(hào)，慢慢改變輸入的信號(hào)的頻率，用示波器觀察輸出電壓的變化。在濾波器的截止頻率附近，觀察電路是否具有濾波特性，若沒(méi)有濾波特性，應(yīng)檢查電路，找出故障原因并排除之。</p><p>　　若電路具有濾波特性，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試。觀測(cè)其截止頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求應(yīng)根據(jù)公式，確定應(yīng)調(diào)整哪個(gè)元件才能使截止頻率既能達(dá)到設(shè)計(jì)要求又不會(huì)對(duì)其它的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響。然后觀測(cè)電壓放大倍數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不達(dá)到要求，

35、應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式調(diào)整有關(guān)的元件，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　通過(guò)測(cè)試設(shè)計(jì)值點(diǎn)電路板的結(jié)果，對(duì)電路板進(jìn)行修正以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　設(shè)計(jì)指標(biāo)：fc=3khz，增益為Av=1。輸入信號(hào)Vi=1V，觀察濾波器的截止頻率fc及電壓放大倍數(shù)Av。按要求理論測(cè)試結(jié)果應(yīng)為：在相對(duì)低頻時(shí)，如fc=100Hz，電壓放大倍數(shù)為1；在fc=3khz時(shí)，Av=0.707。</p>

36、;<p>　　4.5 測(cè)試結(jié)果和幅頻圖分析</p><p>　　測(cè)試結(jié)果顯示fc=2.1khz，不符合截止頻率為3khz的要求。經(jīng)過(guò)多次分析，認(rèn)為理論的設(shè)計(jì)的方法和實(shí)際的不符。并由</p><p>　　得知，假如實(shí)際的截止頻率比所要求的截止頻率小，則要求把電阻或者電容減??；假如實(shí)際的截止頻率比要求的大，則要求把電阻或者電容增大。</p><p>　　由

37、于測(cè)試的截止頻率比設(shè)計(jì)要求的低，所以要提高它的截止頻率。假定電容不變了，則電阻值R↑→Wc↓→fc↓和R↓→Wc↑→fc↑；可以判定原來(lái)的電路的電阻值過(guò)大。</p><p>　　介于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不足，調(diào)試了好久，但是還是沒(méi)有滿足要求。后來(lái)用兩個(gè)滑動(dòng)變阻器替換兩個(gè)電阻，逐步調(diào)試，結(jié)果當(dāng)R2=1k，R1=2.7k時(shí)滿足要求。</p><p>　　即R2=1k，R1=2.7k，C=33nf，C1=1

38、0nf，做出上述的改變之后各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求基本達(dá)標(biāo)。</p><p>　　電路測(cè)試得到的輸出電壓和頻率Vo～fc關(guān)系表1：</p><p>　　表1fc/khz，Vo/V</p><p>　　它的頻率特性曲線為圖4.1：</p><p>　　圖4.1 頻率特性曲線圖</p><p>　　通過(guò)上圖可知，在輸入頻率為3kh

39、z之前，輸出的電壓值大于0.708V，即在低頻段時(shí)Q值大于0.707，衰減速率符合設(shè)計(jì)要求。在輸入頻率為3khz時(shí)，衰減因子Q為0.707左右。</p><p><b>　　課設(shè)總結(jié)</b></p><p>　　利用公式法設(shè)計(jì)有源二階低通濾波器，要求解多元高階方程組；若采用查表法求解電路參數(shù)，就簡(jiǎn)單得多。因此應(yīng)盡量采用查表法求解電路參數(shù)，以減少電路運(yùn)算復(fù)雜程度。雖然可

40、能誤差很大，但是能夠帶來(lái)很大的方便。初學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)盡量能快速找到解決問(wèn)題，培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　通過(guò)此次的課設(shè)，我學(xué)到了很多知識(shí)，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學(xué)的體制束縛，在論文的寫(xiě)作過(guò)程中，通過(guò)查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動(dòng)手能力。并且由原先的被動(dòng)的接受知識(shí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)的尋求知識(shí)，這可以說(shuō)是學(xué)習(xí)方法上的一個(gè)很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會(huì)記住很多的書(shū)本知識(shí)，但是

41、通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了如何將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會(huì)了怎么更好的處理知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的問(wèn)題。</p><p>　　在論文的寫(xiě)作過(guò)程中也學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問(wèn)要一絲不茍，對(duì)于出現(xiàn)的任何問(wèn)題和偏差都不要輕視，要通過(guò)正確的途徑去解決，在做事情的過(guò)程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以找到思路去解決問(wèn)題的。在工作中要學(xué)會(huì)與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽(tīng)取別人的意見(jiàn)，這

42、樣做起事情來(lái)就可以事倍功半。</p><p>　　在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中，理論知識(shí)很重要，理論知識(shí)決定了設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)電路的成敗。所以需要查找很多資料，需要足夠的耐心、細(xì)心去研究問(wèn)題，解決問(wèn)題。同時(shí)還必須有實(shí)事求是地分析問(wèn)題的態(tài)度，知道理論與實(shí)際是有一些差別的。</p><p>　　認(rèn)清問(wèn)題是前提，分析問(wèn)題才是關(guān)鍵，只有認(rèn)真地去分析問(wèn)題才能更好的解決問(wèn)題，分析問(wèn)題時(shí)必須具備細(xì)心，耐心，恒心和毅

43、力，同時(shí)還必須做到科學(xué)地具體地實(shí)事求是地分析問(wèn)題。在調(diào)試電路時(shí)，考慮器件的電氣性，盡量減少器件間的干擾。</p><p>　　調(diào)試的過(guò)程中要有平和的心態(tài)，遇見(jiàn)問(wèn)題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅(jiān)信“凡事都是有辦法解決的”和“問(wèn)題出現(xiàn)一定有它的原因”，這樣最后一定能調(diào)試成功。 </p><p><b>　　謝 辭</b></

44、p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)的能夠順利地完成，感謝在課設(shè)期間每位幫助過(guò)我的同學(xué)，特別是我們班的同學(xué)，他們和我分享了很多以往的經(jīng)驗(yàn)，讓我少走很多彎路。還要感謝所有傳授我知識(shí)的老師，是他們的悉心教導(dǎo)使我有了一定的專業(yè)課知識(shí)，這也是課設(shè)能夠得以完成的基礎(chǔ)。再次感謝傳授給我知識(shí)以及給我?guī)椭凸膭?lì)的老師，同學(xué)和朋友，謝謝。</p><p><b>　　，</b></p>

45、<p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 王衛(wèi)東.模擬電子電路基礎(chǔ)，西安電子科技大學(xué)出版社，2003.</p><p>　　[2] 熊發(fā)明.新編電子電路與信號(hào)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，國(guó)防工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　[3] [美]Richard G. Lyons.Understanding D

46、igital Signal Processing.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[4] 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第三版）.華中科技大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[5] 陳　思.巴特沃斯低通濾波器的簡(jiǎn)化快速設(shè)計(jì). 信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 1977.</p><p><b>　　附 錄：</b&