课程设计--二阶有源低通滤波器

0一题目要求与方案论证1.1（设计题题目）二阶有源低通滤波器1.1.1题目要求设计二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品质因数Q=0.707。分析电路工作原理，设计电路图，列出电路的传递函数，正确选择电路中的参数。1.1.2方案论证（1）：对信号进行分析与处理时,常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题,这些噪声有的是与信号同时产生的,有的是传输过程中混入的。因此,从接收的信号中消除或减弱干扰噪声,就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性,消除或减弱噪声,提取有用信号的过程称为滤波,实现滤波功能的系统称为滤波器。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种：①无源滤波器:由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成②有源滤波器:一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。从功能来上有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。工作原理：二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路,也是高阶虑波器的基本组成单元。常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反馈型和双二次型。本次课程设计采用压控电压源型设计课题。1有源二阶滤波器基础电路如图1所示：图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f＞＞f0时（f0为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90º，两级RC电路的移相到-180º，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。传输函数为：)()()(iosVsVsA2FF)()-(31sCRsCRAAVV令F0VAA称为通带增益F31VAQ称为等效品质因数RC1c称为特征角频率则2cn22c0)(sQsAsA上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式注：时，即当303FFVVAA滤波电路才能稳定工作。2（2）芯片介绍：产品型号：LM324N1.概述与特点LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：●具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V~30V，双电源±1.5V~±15V●内含相位校正回路,外围元件少●消耗电流小:Icc=0.6mA(典型值,RL=∞)●输入失调电压低:±2mV(典型值)●电压输出范围宽：0V~Vcc—1.5V●共模输入电压范围宽：0V~Vcc—1.5V●封装形式：DIP14图2LM324N实物图图3LM324N管脚图31.2（实训题题目）波形发生器与计数器1.2.1题目要求利用74LS138以及两片74LS195构成模值2－8的程序计数器，如CBA输入111(8分频)时，QD端输出8分频脉冲1.2.2方案论证表1.二位十进制加法计数器的状态表计数脉冲数二进制数十进制数Q3Q2Q1Q0000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019100000进位芯片介绍：LM324M：运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。LM324M的特点：短跑保护输出、真差动输入级、可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。图4：LM324M实物图74LS90D：74LS90是二－五－十进制异步计数器，从000计到111为例。先接成加法计数状态，在输出为1000时（既Q4为高电平时）把Q4输出接到R01和R02脚上（即异步置0），此时当计数到1000时则立刻置0，从新从0开始计数。1000的状态为瞬态。状态转化图中是0000到0111是有效状态，1000是瞬态，跳转从这个状态跳回到40000状态。（1）计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。（2）计数脉冲从CP2输入，QDQLQH作为输出端，为异步五进制加法计数器。（3）若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。（4）若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。（5）清零、置9功能。a)异步清零当R0（1）、R0（2）均为“1”；S9（1）、S9（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA=0000。b)置9功能当S9（1）、S9（2）均为“1”；R0（1）、R0（2）中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA=1001.图5：74LS90D管脚图图6：74LS90D真值表74HC4511：图7：74HC4511引脚图5二电子线路设计与实现2.1二阶有源低通滤波器我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品质因数Q=0.707。由VFAQ31=0.707可以求得VFA，所以低通滤波器的通带电压增VFAA0=1.586选择C=82nF,选择标准电阻R=9.09KΩ，Rf=2.55KΩ。要使A0=15,则还须再接一个放大电路，使得一级输出被放大9.43倍，则总增益达到15左右。设计仿真电路如图：图8二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图62.2十位二进制加法计数器电路设计根据题目要求利用Multisim软件画出如下的电路图：R410kR120kVCC5VU4ALM324M321141VEE-5VR52.0kD202DZ4.7R21200K_LINKey=Space35%C21.0uFU4BLM324M561147VCC5VR310kVEE-5VXSC1ABGTU2ABCDEFGCAU3ABCDEFGCAR12300R13300R14300R15300R16300R17300R18300R9300R2300R6300R7300R8300R10300R11300U54511BP_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT3U64511BP_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT3VCC5VU174LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U974LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023S1Key=SpaceR19300图9仿真图电路图根据仿真电路的电路图设计出如下的布线图：图10十位二进制加法计数器电路模拟电路图7根据布线图焊接了电路板如下图所示：图11二位十进制加法计数器焊接电路板8三结果与分析3.1二阶有源低通滤波器图12二阶有源低通滤波器仿真波形图（1）分析上图知电路的截止频率在989HZ左右，与题目要求稍微有点偏差，这是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内电压放大倍数引起的，在误差允许的范围之内。图13二阶有源低通滤波器仿真波形图（2）所加输入信号的有效电压Vi=120mv,波形入Channel-A所示;输出电压波形入Channel-B所示，其最大电压约为2.570V，故输出电压的有效电压值Uo=2.570x0.707=1816.99(mv);由以上分析知通带内电压放大倍数A0=Uo/Vi=15.14,和题目要求存在极小偏差，在误差允许的范围之内。综上所分析得知我组所设计的二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图符合题目要求，是正确的。93.2二位十进制加法计数器的实现图14二位十进制加法计数器仿真波形图图15仿真过程图10表2.误差分析：可变电阻值80kΩ100kΩ示波器周期格数6.84周期仿真值340ms400ms总结：通过实验的数据得出结论，当可变电阻的值增加时，周期变大；当可变电阻的值减小时，周期减小。数值的误差范围在测量允许范围内。误差原因分析：（1）电路板上元件的阻值与实际的电阻值有一点的误差，得到的结果与计算结果有不同。（2）电路板焊接时对元器件有了一点的影响。（3）读数时有偏差，连接示波器时的元件的具体频率值与电阻值都直接取了整数，并不是原来的那个值。因此在具体周期的计算值上也有不同。（4）焊接点与线也有一定的电阻。11四总结与体会实习了两个星期的，我们学会了很多东西，培养了动手能力也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！12参考文献[1]康华光，北京：高等教育出版社，2006.1[2]邵毅全马耀庭SHA等，二阶有源低通滤波器设计与仿真研究。学术期刊（激光杂志）2009年3期[3]朱达群,施围著，电子电气电路仿真。中国电力出版社2009[4]郑君里等编著，信号与系统。高等教育出版社2000