二阶低通滤波器课程设计报告

课程设计说明书课程设计名称：模拟电路课程设计课程设计题目：二阶低通滤波器的设计学院名称：南昌航空大学信息工程学院专业：通信工程班级：xxxxxx班学号：xxxxxx姓名：xxxxxx评分：教师：2015年5月1日课程设计任务书2014－2015学年第2学期第7周－9周题目二阶低通滤波器的设计内容及要求1、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fO=2KHz；3、增益AV＝2；进度安排1.第七周查找资料、设计电路、由仿真结果图2.第八周领元器件、焊接电路3．第九周测试电路及结果学生姓名：14黎广华13郭波指导时间2015年4月8日～2015年4月29日指导地点：综合楼506任务下达2015年4月8日任务完成2015年4月29日考核方式1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√4.其它□指导教师张小林系（部）主任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具有一定幅值和线性相移，而在阻带内幅值应为零。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相应的放大器。滤波器的阶数越高，幅值特性的速率越快，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。根据指示，本次设计选用二阶有源低通滤波器。该电路主要采用了UA741运放，并且在一阶的基础上增加一节RC网络，加大幅频特性衰减斜率，以达到在给定的频段内，让信号无衰减的通过电路，而通带外的其他信号将受到很大的衰减，从而提高滤波器效率。关键词：低通滤波器集成运放UA741RC网络目录前言·······························································1第一章课程设计任务及要求·········································21.1课设题目·······················································21.2设计内容与要求················································21.3设计目的······················································2第二章系统组成及工作原理·········································32.1二阶有源低通滤波器的特点·······································32.2设计原理······················································3第三章单元电路设计计算与元件选择·································53.1二阶压控电压源低通滤波的设计···································53.2二阶无限增益多路反馈低通滤波器的设计···························6第四章实验仿真、调试及测试结果分析·······························74.1二阶压控电压源低通滤波·········································74.2二阶无限增益多路反馈低通滤波···································84.3实验数据记录···················································94.4误差分析······················································10结论与体会························································11参考文献··························································12附录一····························································13附录二····························································14附录三····························································151前言当今时代，随着科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和科学技术领域中占有不可或缺的核心地位。同时在国家的事业中发挥了重大作用，只有科技才能使一个国家变得真正强大。作为一名大学生不仅仅要学习理论知识，还要把理论运用到实践中去，做到学以致用。低通滤波器的使用非常广泛。该种滤波器只让规定的低通频率通过，而且电路性能稳定，增益易调节。利用这一特点不仅可以通过有用信号还可以抑制无用信号。工程上常常用低通滤波器作信号处理，数据传输和抑制干扰。例如：无线电发射机利用低通滤波器阻塞可能引起与其他通信发生干扰的谐波发射；固体屏障也是一个声波的滤波器，当一个房间播放音乐时很容易听到低音，但高音被滤掉了。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率虽然基本上满足现有各种电信设备。但从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍是一个问题。2第一章课程设计任务及要求1.1课设题目二阶低通有源滤波器的设计与制作1.2设计内容与要求1.分别用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计电路2.截止频率fc=2000HZ3.增益Av=21.3设计目的（1）通带内信号衰减要小，阻带内信号衰减要尽量大，由通带过渡到阻带的衰减特性陡直上升；（2)通带内的特性阻抗要为常数，以便阻抗匹配。3第二章系统组成及工作原理2.1二阶有源低通滤波器的特点（1）有源低通滤波器：容许底频信号通过，但减弱（或减少）频率高于截止频率的信号通过，而且通带放大倍数和频率特性并不随负载变化而变化。（2）压控电压源二阶滤波电路的特点：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。（3）无限增益多路负反馈二阶滤波电路的特点：运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。2.2设计原理（1）有源二阶压控滤波器基础电路：图2.2.1二阶有源低通滤波基础电路它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，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ff0时（f0为截止频电路的每级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4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，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。（2）无限增益多路反馈有源滤波器基本电路：图2.2.2无限增益多路反馈有源滤波基础电路在二阶压控电压源低通滤波电路中，由于输入信号加到集成运放的同相输入端，同时电容C1在电路参数不合格时会产生自激振荡。为了避免这一点，Aup取值应小于3，可以考虑将输入信号加到集成运放的反相输入端，采取和二阶压控电压源低通滤波器电路相同的方式，引入多路反馈，构成反相输入的二阶低通滤波器电路，这样既能提高滤波器电路的性能，也能提高在f=f0附近的频率特性幅度。由于所示电路中的运放可看成理想运放，即可认为其增益无穷大，所以该电路叫做无限增益多路反馈低通滤波电路。5第三章单元电路设计计算与元件选择3.1二阶压控电压源低通滤波的设计（1）仿真电路图如下所示：图3.1（2）参数计算：电路的传输函数：11)(2LLuoLusQsAsA，cLss，其中Q为品质因数通带放大倍数：341RRAuo(1)滤波器的截止角频率：ccfCCRR212121，2212111)1(11CRACRCRQuoc（2）为了减小输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使：4321//RRRR（3）将上述方程与341RRAuo联立求解，可得：)(214RRARf143fARR（4）令R1=R2=R，C1=C2=C；先取C1=C2=C，然后计算R1和R26又由于fp=2KHZ，因此先确定电容C1=C2的值，即取：C1=C2=C=0.01uf,将C1=C2=C带入式RCfo21，可得：R1=R2=8K341RRAuo，又2uoA，R3=R4=4R1,即R3=R451K3.2二阶无限增益多路反馈低通滤波器的设计（1）仿真电路图如下：图3.2（2）推导公式同上，取R3=100，R1=2K，R2=4K，C1=18nf,C2=1uf,注0.18uf的电容由两个0.1uf的电容并联而成。7第四章实验仿真、调试及测试结果分析4.1二阶压控电压源低通滤波当输入的信号频率小于截止频率2000hz，其电路的增益为2，即其波形的峰值是两倍。当f=500hz，f=2khz，f=15khz时得仿真图如下：图4.1.1f=500hz时得仿真波形图图4.1.2f=2Khz时得仿真波形图8图4.1.3f=15Khz时得仿真波形图4.2二阶无限增益多路反馈低通滤波当输入的频率是500hz，2khz，15khz的交流电源，输出信号的波形图分别如下图4.2.1f=500hz时得仿真波形图9图4.2.2f=2Khz时得仿真波形图图4.2.3f=15Khz时得仿真波形图4.3实验数据记录输入频率f(hz)输入电压u（v)输出电压U（v)电压增益50012220001221500010010由以上波形图可知，当输入信号频率在2000hz以内时，输出为输入的2倍，当输入信号频率为15Khz时，输出趋于零，当信号频率过大，则输出受到抑制，容许低频信号通过，减弱高于截止频率的信号的通过。4.4误差分析误差原因分析：1、元件的阻值与实际电阻有误差，得到的结果与理论计算不同；2、焊接时温度对元件也有一定的影响；3、焊接点与线也有一定的误差；4、示波器设备老旧，得出的波形不稳定。11结论与体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的集体训练和考察过程。在为期两个星期的课程的设计过程中，我们不断发现、不断改正错误，不断领悟、不断领悟、不断获取知识。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课设终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于迎刃而解。通过此次课设，使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识，在设计中虽然遇到了一些问题，但经过一遍又一遍的检查终于找出了原因，也暴露出自己在这方面知识的欠缺和经验不足。通过亲自动手制作，使我们掌握的不只是纸上谈兵。12参考文献【1】华成英，模拟电子技术基本教程【M】北京：清华大学出版社，2006【2】童诗白，模拟电子技术基础（第五版）【M】北京：高等教育出版社，2005【3】彭介华，模拟电子技术基础【M】北京：高等教育出版社，1997【4】康华光，电子技术基础模拟部分（第五版）【M】北京：高等教育出版社，2006.113附录一：元器件清单元件种类数量2K1个4K1个1001个8K2个51K2个10nf4个1uf1个UA741CD2个14附录二：芯片参数UA741芯片是通用的高增益运算放大器，这类单片硅集成电路芯片提供输出短路保护和闭锁自由运作。而且还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位芯片管脚图及部分参数如下