二階低通濾波器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目： 二階低通濾波器的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院名稱(chēng)： </p><p>

2、;　　專(zhuān)業(yè)： 電子信息工程 班級(jí)： </p><p>　　學(xué)號(hào)： 姓名： **** </p><p>　　評(píng)分： 教師： </p><p>　　20 12 年 2 月 24 日</p><p>　　模擬電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</p&

3、gt;<p>　　20 11 —20 12 學(xué)年 第 2 學(xué)期　第 1 周－ 2 周 </p><p>　　注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。</p><p>　　2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。</p><p>　　二階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真分析</p>

4、<p>　　摘要 ：由低階系統(tǒng)構(gòu)建高階系統(tǒng)是信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的重要實(shí)驗(yàn)，本文運(yùn)用子系統(tǒng)函數(shù)的級(jí)聯(lián)、反饋構(gòu)建高階系統(tǒng)的思想來(lái)設(shè)計(jì)有源二階濾波器，然后用節(jié)點(diǎn)法對(duì)設(shè)計(jì)的電路來(lái)進(jìn)行分析驗(yàn)證，并用EDA仿真軟件Multisim8進(jìn)行電路仿真；這種教學(xué)方法用理論結(jié)合實(shí)踐，達(dá)到了鞏固知識(shí)和提高動(dòng)手能力的雙重效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 有源濾波器；傳遞函數(shù)；multisim；幅頻特性&

5、lt;/p><p>　　Design and Simulation Analysis of the two-pole Active low Pass Filter</p><p>　　Abstract: The construction of high level system by the low level system is an important experiment in sig

6、nals and systems. in this paper , two-pole active filter was designed by the subsystem’s cascade connection and feedback, then the circuit was analyzed and verifyied by nodal method .the circuit simulation is perfomed i

7、n multisim8. This method combines theory with practice.the konwledge can be confirmed and ability can be raised in experiment. It is good for teacher to raise the teaching qu</p><p>　　Keywords: active filter

8、;transfer function;mulitisim;amplitude-frequency characteristic</p><p>　　二階有源濾波器是運(yùn)放的典型應(yīng)用，也是學(xué)生常做的實(shí)驗(yàn)之一。一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理論推導(dǎo)和分析會(huì)存在一定的困難，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象和問(wèn)題也難以應(yīng)付。鑒于此本文采用了一種新的思路來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程中既有設(shè)計(jì)，又有驗(yàn)證和仿真，有效的解決了上述問(wèn)題。</p>&l

9、t;p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)5</p><p><b>　　1.1課設(shè)題目5</b></p><p>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)和要求5</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理5</p><p>　　2. 1 二階壓控

10、電壓源低通濾波電路6</p><p>　　2. 2 二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路10</p><p>　　第三章 產(chǎn)生二階低通濾波系統(tǒng)中各個(gè)電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 二階壓控電壓源低通濾波的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1. 1電路的選擇12</p><p>　　3.1. 2電路元件

11、參數(shù)的計(jì)算13</p><p>　　3. 2二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3. 2.1電路的選擇14</p><p>　　3. 2.2元件參數(shù)的設(shè)定15</p><p>　　第四章 各個(gè)模塊電路的仿真17</p><p>　　4.1 二階壓控電壓源低通濾波的仿真17</p

12、><p>　　4.1.1 仿真電路17</p><p>　　4.1.2 仿真數(shù)據(jù)17</p><p>　　4.1.3 仿真波形圖18</p><p>　　4.2二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波的仿真18</p><p>　　4.2.1 仿真電路18</p><p>　　4.2.2 仿真數(shù)據(jù)

13、19</p><p>　　4.2.3仿真波形19</p><p><b>　　4.3 結(jié)論19</b></p><p>　　第五章 電路調(diào)試與測(cè)試及分析20</p><p><b>　　第六章 結(jié)論21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22&l

14、t;/b></p><p>　　附錄1 電路總設(shè)計(jì)圖23</p><p>　　附錄2 芯片LM324資料24</p><p>　　附錄3 元件清單25</p><p>　　附錄4 作品實(shí)物圖26</p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù) </p><p><b>　　1.

15、1課設(shè)題目</b></p><p>　　制作二階低通有源濾波器。</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 </p><p>　?、?分別用壓控電壓源和無(wú)限增益多路反饋二種方法設(shè)計(jì)電路； </p><p><b>　?、?截止頻率 ； </b></p><p><b>　?、?/p>

16、 增益； </b></p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　圖1 二階有源濾波器的典型電路</p><p>　　其中，Y1～Y5為導(dǎo)納，考慮到UP=UN，根據(jù)KCL可求得</p><p><b>　?。?）&l

17、t;/b></p><p>　　式(1)是二階壓控電壓源濾波器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式，式中，。只要適當(dāng)選擇Yi，1≤i≤5，就可以構(gòu)成低通、高通、帶通等有源濾波器。</p><p>　　2. 1 二階壓控電壓源低通濾波電路</p><p>　　（1）二階壓控電壓源低通濾波器的理論分析 設(shè)Y1=1／R1，Y2=sC1，Y3=O，Y4=1／R2，Y5

18、=sC2，將其代入式(1) </p><p>　　中，得到二階壓控電壓源低通濾波器的傳遞函數(shù)為 </p><p>　?。?） 有源二階壓控電壓源低通濾波器基礎(chǔ)電路如圖2所示：</p><p>　　圖2 有源二階壓控電壓源低通濾波器基礎(chǔ)電路</p><p>　　它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例運(yùn)算電路組成，在集

19、成運(yùn)放輸出端與集成運(yùn)放同相輸入端之間通過(guò)引入一個(gè)正反饋。在不同的頻段，反饋的作用效果也有很大的不同，當(dāng)信號(hào)頻率時(shí)（為截止頻率），由于的容抗很大，反饋信號(hào)很弱，因而對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響也很小，可以使增益；當(dāng)信號(hào)頻率時(shí)（為截止頻率），雖然的容抗很小，但由于的容抗很小，使得集成運(yùn)放同相輸入端的信號(hào)也很小，輸出電壓必然也很小。所以，只允許低頻率信號(hào)通過(guò)。</p><p><b>　　我們可以令 </b&g

20、t;</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　使（3）式的分母多項(xiàng)式為零, 解此一元二次方程, 可得到傳遞函數(shù)的兩個(gè)極點(diǎn)是</p><p><b>　　（4）</b></p><p><b>　　定義</b></p><p>&l

21、t;b>　?。?）</b></p><p>　　為濾波電路的特征角頻率。</p><p><b>　　定義 </b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　為濾波電路的通帶截止頻率。則有</p><p><b>　　(7)

22、</b></p><p><b>　　定義 </b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　為此濾波電路的反饋電壓放大倍數(shù)。</p><p><b>　　定義</b></p><p><b>　　(9)&l

23、t;/b></p><p>　　為此濾波電路的等效品質(zhì)因數(shù),在數(shù)值上它等于時(shí)濾波器的電壓放大倍數(shù)與通帶電壓放大倍數(shù)之比。</p><p>　　將上面的式子代入(2) 式得</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　為了求出二階有源低通濾波器的頻率響應(yīng),可令(8)式中的 ,由此求得其幅頻響應(yīng)和

24、相頻響應(yīng)為</p><p>　　縱坐標(biāo)用歸一化后的幅值取對(duì)數(shù)表示,設(shè)為濾波器在通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù),數(shù)值上，則</p><p><b>　　(13)，</b></p><p>　　由式(13)可以求出不同 Q 值下的幅頻特性,如圖3所示。</p><p>　　圖3 二階壓控電壓源的幅頻特性曲線</p>

25、<p>　　由圖可見(jiàn),當(dāng) Q = 0. 707 時(shí),幅頻特性最平坦,而當(dāng) Q > 01707 時(shí),在通帶截止頻率附近幅頻特性曲線將會(huì)上翹。Q 值越大特性曲線上翹得越厲害?？梢?jiàn) Q 值具有重要的意義, Q 值不同,幅頻特性曲線的形狀也不同。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí), Q 值是一個(gè)重要的參數(shù)。</p><p><b>　　定義</b></p><p><b&g

26、t;　　(14)</b></p><p>　　為通帶截止頻率對(duì) R1 的靈敏度系數(shù),可以通過(guò)求 d fcp/d R1 得到</p><p><b>　　(15)</b></p><p>　　上式表示如果R1增加1% ,通帶截止頻率將減小0.15%.</p><p><b>　　同理</b>

27、;</p><p><b>　　(16)</b></p><p>　　要合理地選擇集成運(yùn)算放大器。為保證所設(shè)計(jì)的濾波器能夠穩(wěn)定地工作,一般要求所選集成運(yùn)放在 附近的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)滿足下式</p><p><b>　　(17)</b></p><p>　　一般集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在以上,這個(gè)

28、條件很容易滿足。</p><p>　　2. 2 二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路</p><p>　　在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號(hào)加到集成運(yùn)放的同相輸入端，同時(shí)電容在電路中引入了一定量的正反饋，所以，在電路參數(shù)不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。為避免這一點(diǎn)，取值應(yīng)小于3?？梢钥紤]將輸入信號(hào)加到集成運(yùn)放的反相輸入端，采取和二階壓控電壓源低通濾波電路相同的方式，引入多路反饋，構(gòu)成相反輸入

29、的二階低通濾波電路，如圖4所示，這樣既能提高濾波電路的性能，也能提高在附近的頻率特性幅度。由于所示電路中的運(yùn)放可以看成理想運(yùn)放，即可以認(rèn)為其增益無(wú)窮大，所以該電路叫做無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路。</p><p>　　圖4 二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路</p><p>　　利用輸出電壓與N點(diǎn)電位的關(guān)系，可以得到門(mén)店的電流方程為</p><p><b>

30、　　電路的傳遞函數(shù)為</b></p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　令特征頻率</b></p><p><b>　　或 </b></p>

31、<p><b>　　則品質(zhì)因子 </b></p><p>　　從（18）式可以看出，包括s的一次項(xiàng)系數(shù)大于零，所以濾波電路不會(huì)因通帶增益數(shù)值過(guò)大而產(chǎn)生自激振蕩。</p><p>　　第三章 產(chǎn)生二階低通濾波系統(tǒng)中各個(gè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　為了讓自己的制作出來(lái)的產(chǎn)品更有實(shí)際的作用，效果達(dá)到最佳，我們可以應(yīng)用所學(xué)的模擬電子技

32、術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)制作截止頻率為2KHZ，放大倍數(shù)為2的二階有源濾波器。我們可以計(jì)算出，當(dāng)設(shè)計(jì)電路的品質(zhì)因數(shù)Q=0.707時(shí)，電路的濾波效果達(dá)到最佳。所以，在電路分析計(jì)算時(shí)，我們可以把品質(zhì)因數(shù)Q看作一常數(shù)來(lái)處理，即Q=0.707?；谄焚|(zhì)因數(shù)Q=0.707，來(lái)設(shè)計(jì)下面的電路</p><p>　　3.1 二階壓控電壓源低通濾波的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1. 1電路的選擇</p>

33、<p>　　選擇電路的原則應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，容易滿足指標(biāo)要求?，F(xiàn)在，我們選擇圖2所示的二階壓控電壓源低通濾波電路。</p><p>　　圖5 二階壓控電壓源低通濾波電路</p><p>　　3.1. 2電路元件參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　由設(shè)計(jì)要求可知，截止頻率為，增益。因?yàn)樵鲆妫措娐贩糯蟊稊?shù)為2，則同相比例放大電路的放大倍數(shù)為 則

34、 不妨設(shè)</p><p><b>　　又 </b></p><p>　　方案一: 先設(shè)定，代入到上面的公式中可以得到</p><p><b>　　代入可計(jì)算得出</b></p><p>　　又由, 解得</p><p>　　由實(shí)際電子元器件標(biāo)稱(chēng)值可

35、以設(shè)定 </p><p>　　方案二: 先設(shè)定，代入到上面的公式中可以得到</p><p>　　代入可計(jì)算得出 </p><p>　　又由 , 解得</p><p>　　由實(shí)際電子元器件標(biāo)稱(chēng)值可以設(shè)定 </p><p>　　考慮到實(shí)際調(diào)試，方案二更為方便，所以總元件設(shè)定的參數(shù)</p><

36、;p>　　3. 2二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波的設(shè)計(jì)</p><p>　　3. 2.1電路的選擇</p><p>　　二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路的選擇要求與二階壓控電壓源低通濾波的相同，這里就不多講了，我們選擇圖4所示的電路。</p><p>　　圖6二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路</p><p>　　3. 2.2元件參數(shù)的設(shè)定

37、</p><p>　　由設(shè)計(jì)要求可知，截止頻率為，增益。因?yàn)樵鲆?，即電路放大倍?shù)為2，由上面電路分析可知 </p><p>　　則同相比例放大電路的放大倍數(shù)為 則 </p><p><b>　　又 </b></p><p>　　方案一: 先設(shè)定，代入到上面的公式中可以得到</

38、p><p><b>　　代入可計(jì)算得出</b></p><p>　　又由, 解得</p><p>　　由實(shí)際電子元器件標(biāo)稱(chēng)值可以設(shè)定 </p><p>　　方案二: 先設(shè)定，代入到上面的公式中可以得到</p><p>　　代入可計(jì)算得出 <

39、/p><p>　　聯(lián)系實(shí)際,上式不成立</p><p>　　所以選用方案一,則總元件設(shè)定的參數(shù)</p><p>　　注：由于實(shí)驗(yàn)室并不提供的電容和的電阻，所以的電容是由兩個(gè)的電容串聯(lián)后再和一個(gè)、一個(gè)的電容并聯(lián)而成,而的電阻則是由兩個(gè)、一個(gè)的電阻并聯(lián)后再和一個(gè)的電阻串聯(lián)而成。如下圖</p><p>　　第四章 各個(gè)模塊電路的仿真</p>

40、<p>　　4.1 二階壓控電壓源低通濾波的仿真</p><p>　　4.1.1 仿真電路</p><p>　　圖7二階壓控電壓源低通濾波仿真電路</p><p>　　創(chuàng)建如圖7所示的二階有源低通濾波器的仿真電路，啟動(dòng)仿真按鈕，用虛擬示波器測(cè)得的輸入輸出波形，可以看出，輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)一致，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同頻不同相，說(shuō)明二階低通濾波電路不會(huì)

41、改變信號(hào)的頻率。</p><p>　　4.1.2 仿真數(shù)據(jù)</p><p><b>　　表1 壓控仿真數(shù)據(jù)</b></p><p>　　從表1中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較大(例如3kHz)時(shí)，輸出信號(hào)的幅值明顯小于輸入信號(hào)的幅值，而低頻情況下的電壓放大倍數(shù)Auf=2。顯然，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較大時(shí)，電路的放大作用已不理想。</p>

42、;<p>　　4.1.3 仿真波形圖</p><p>　　圖8 二階壓控電壓源低通濾波電路仿真波形圖</p><p>　　4.2二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波的仿真</p><p>　　4.2.1 仿真電路</p><p>　　圖9二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波仿真電路</p><p>　　創(chuàng)建如圖9所示的

43、二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波仿真電路，啟動(dòng)仿真按鈕，用虛擬示波器測(cè)得的輸入輸出波形， 可以看出，輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)一致，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同頻不同相，說(shuō)明二階低通濾波電路不會(huì)改變信號(hào)的頻率。</p><p>　　4.2.2 仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　表2 無(wú)限增益仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　從表2中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較大(例如3kHz)時(shí)，輸出

44、信號(hào)的幅值明顯小于輸入信號(hào)的幅值，而低頻情況下的電壓放大倍數(shù)Auf=2。顯然，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較大時(shí)，電路的放大作用已不理想。</p><p><b>　　4.2.3仿真波形</b></p><p>　　圖10二階無(wú)限增益多路反饋低通濾波電路仿真波形圖</p><p><b>　　4.3 結(jié)論</b></p>

45、<p>　　從上面的仿真數(shù)據(jù)可以得出：在輸入頻率較低時(shí)，電路的增益接近2，而在輸入信號(hào)的頻率逐漸增大時(shí)，增益也在逐漸減小，且開(kāi)始時(shí)減小速度比較緩慢，隨著輸入頻率信號(hào)的不斷增大，減小速率也逐漸加快，在頻率正好為2000Hz時(shí)，此時(shí)的增益在1.4左右，在一定的誤差范圍內(nèi)，以上的數(shù)據(jù)都符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　第五章 電路調(diào)試與測(cè)試及分析</p><p>　　在確定電路和按

46、元件清單領(lǐng)取元件后，我們進(jìn)行下一步驟——焊接。在焊接前，要先對(duì)電路進(jìn)行布局，一般采用分塊布局。但是由于本次實(shí)驗(yàn)所需的一些元器件實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有，只能用其它元件替代，所以多花費(fèi)了一些時(shí)間去調(diào)整。首先焊接是LM324芯片，再是按照電路把剩余的元件焊接上去。由于本實(shí)驗(yàn)的元件比較少，焊接起來(lái)很快，整個(gè)電路的焊接很快就完成了。下一步進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器上電阻的阻值，示波器上A、B通道的波形很快就出來(lái)了，又對(duì)增益進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在微

47、小誤差。在誤差允許的范圍內(nèi)，本次的課程設(shè)計(jì)取得成功。</p><p><b>　　誤差分析：</b></p><p>　　可能是由于所用的電阻,電容與標(biāo)稱(chēng)值存在差異而出現(xiàn)誤差</p><p>　　可能是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)際輸出的信號(hào)與顯示值存在誤差</p><p>　　可能是示波器測(cè)量不精確，有誤差等</p>

48、<p><b>　　第六章 結(jié)論</b></p><p>　　為期兩周的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)會(huì)了很多東西，也培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力,并將為我以后的工作打下良好的基礎(chǔ)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我更為深刻地認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性；明白只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而要把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，從實(shí)踐中得出經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力

49、。雖然在設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中并未遇到過(guò)比較困難的問(wèn)題，但是也存在一些小麻煩，諸如實(shí)驗(yàn)室并未有自己需要的元器件，而要找其它元件替代，這讓我發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足之處外，也明白了理論終究是要與實(shí)際相結(jié)合的，也同時(shí)加深了對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)的理解和掌握。</p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)順利的完成了，在此期間我得到過(guò)同學(xué)與指導(dǎo)老師的幫助，并在他們身上學(xué)到很多實(shí)用的知識(shí)，在此，我表示衷心的感謝。！</p><

50、;p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]、王港元.電工電子實(shí)踐指導(dǎo)[M]（第二版） 江西科學(xué)技術(shù)出版社，2005.</p><p>　　[2]、謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試[J]（第二版）.華中理工大學(xué)出版社，2000</p><p>　　[3]、張友漢.電子線路設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè)[J] 福建科學(xué)技術(shù)出版社，20

51、00.</p><p>　　[4]、郝鴻安等.555集成電路實(shí)用大全[M] 上?？茖W(xué)普及出版社.</p><p>　　[5]、陳兆仁.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)[M] 電子工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[6]、畢滿清.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M] 機(jī)械工業(yè)出版社.</p><p>　　[7]、杜龍林.用萬(wàn)用

52、表檢測(cè)電子元器件[J] 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2001.</p><p>　　[8]、梁宗善.新型集成電路的應(yīng)用[M] 華中理工大學(xué)出版社，2001.</p><p>　　[9]、楊振江等.新穎實(shí)用電子設(shè)計(jì)與制作[M] 西安電子科大出版社，2000.</p><p>　　附錄1 電路總設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖11 二