模拟电子课程设计

长沙学院课程设计说明书题目有源低通滤波器电路设计系(部)电子与通信工程系专业(班级)XX一班姓名XXX学号XXXXXXXX指导教师XXX起止日期2011.12.19-2011.12.232模拟电路课程设计任务书一．设计题目有源低通滤波器电路设计二．技术参数和设计要求1.技术参数设计一个能阻挡高频信号，输出低频信号的有源低通滤波电路；2.设计要求（1）根据技术参数设计电原理图;（2）计算并选择电路元件及参数(含电源变压器)；（3）仿真调试电路；举例说明所设计的有源高通滤波器的广泛应用，简要说明电路的工作原理。（4）撰写设计说明书。三．设计工作量设计时间一周，2011年下学期进行。四．工作计划星期一：布置设计任务，查阅资料；星期二~星期三：设计方案论证，进行电路设计，计算并选择电路元件及参数；星期四：仿真调试电路星期五：撰写设计报告书，进行个别答辩。五．参考资料1．彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997；2．高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005；3．童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988；4．康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，20065．本课程教材六．指导教师XXXXXXXXXXXXXXXX七．系部审批3长沙学院课程设计鉴定表姓名学号专业光电信息工程班级光电一班设计题目有源低通滤波器电路设计指导教师指导教师意见：评定等级：教师签名：日期：答辩小组意见：评定等级：答辩小组长签名：日期：教研室意见：教研室主任签名：日期：系（部）意见：系主任签名：日期：说明课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；4目录引言……………………………………............5※一设计任务与要求…………………………51.1设计任务……………………………………………………51.2设计要求……………………………………………………6※二实验经过…………………………………62.1实验原理………………………………………………….…62.2实验步骤…………………………………………………….72.2.1滤波器的选择…………………………………………………….72.2.2一阶低通有源滤波器……………………...……………………..82.2.3二阶低通有源滤波器.................................102.3工作原理及电路图的原理图和PCB图…………………..…13※三低通滤波器在生活中的应用…………..143.1在焊接中的应用...................................14※四实验总结………………………………..15参考文献............................................................165引言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。滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上就是一个选频电路，所以滤波器也称为选频装置。工程上常用它来作为信号处理、数据传送和抑制干扰等，广大应用于通信、电子工程、仪器仪表等领域。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种：①无源滤波器: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）。对于有源滤波器，通带内的信号不仅没有能量损耗。而且还饿可以放大，负载效应不明显，多级相联时互相影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小，重量轻、不需要磁屏蔽（由于使用电感元件）；但是其通带范围受有源器件（如集成运放放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适合。一般还可以按照有源滤波器传输函数分母中S的最高指数分为一阶、二阶和高阶滤波器，滤波器的阶数是指在滤波器的传递函数中有几个极点，阶数同时也决定转折区的下降速度，一般每增加一阶（一点极点），就会增加—20dB每十倍频程。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应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。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响应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，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。根据指标，本次设计选用二阶有源低通滤波器。课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体的一门课程，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度,培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识，还需要过硬的动手能力，所以认真做好课程设计，对提高我们的动手能力有很大的帮助做到。※一、设计任务与要求1.1设计任务1.学习有源低通滤波器的设计方法；2.由滤波器的设计指标计算电路元件参数；63.设计二阶RC有源低通滤波器；4.掌握有源低通滤波器的测试方法；5.测量有源低通滤波器的幅频特性。1.2设计要求1.根据技术参数设计电原理图;2.计算并选择电路元件及参数；3.仿真调试电路；举例说明所设计的有源低通滤波器的广泛应用，简要说明电路的工作原理；4.撰写设计说明书。※二、实验经过2.1实验原理低通滤波器(low-passfilter)是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器,或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acousticbarriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（movingaverage)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。滤波器的主要功能就是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路，所以滤波器也称为选频装置，工程上常用它用来作信号处理、数据传送及抑制干扰等，广泛应用于通信、电子工程、仪器仪表等领域。在滤波器中，通常把能够通过的频率范围，或者信号幅度不衰减或只有允许程度衰减的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减，或完全被抑制的频率范围称为阻带，通带和阻带之间的分界频率为截止频率。理想的滤波器电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相频响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。根据通带和阻带所处的频率区域不同，一般将滤波器分成四类：（1）低通滤波器就是低频信号能通过，而高频信号不能通过的滤波器。它的通带由零到某一特定的上限频率cf，即0≤f≤cf；阻带由cf到无穷大。（2）高通滤波器与低通滤波器相反，就是只允许高频信号通过，而低频信号通过的滤波器。通带位于大于某一特定下限频率cf的高频区，即f≥cf；阻带位于零到cf的低频区。（3）带通滤波器它的通带位于两个有限频率1f、2f之间，即通带为1f≤f≤2f。通带两侧都是阻带。（4）带阻滤波器与带阻情况相反，它的阻带位于两个有限频率之间，即阻带为1f≤f≤2f。阻带两侧都为通带。通带的衰减为零，阻带的衰减为无穷大，从零衰减到无穷大衰减之间没有过渡，这是理想滤波器的特性，这种特性是不可实现的。实际滤波器的通带，特别是靠近截止频率的频率频域往往有一定的衰减；同7样，它的阻带，特别是靠近截止频率处衰减也不是无穷大。或者说在零衰减和无穷大衰减之间总是存在着一个过渡带。在实际设计滤波器时，应使其频率特性尽量接近理想特性。此外，当考虑滤波器的物理实验时，根据所采用的元器件不同，将滤波器分为一下两类。一类是由电阻、电容、电感组成，不含有源器件，称为无源滤波器。无源滤波器电路比较简单，高频性能好，多用在高频域。缺点是通带信号有能量损耗，负载效应比较明显，或滤波器性能虽负载变化较大，高阶情况下调节比较困难。另外由于使用了电感，体积和重量比较大，在低频更是如此，不能用在超低频域。另一类是由电阻、电容和有源器件（如集成运算放大器）组成，称为有源滤波器。有源滤波器由于采用了有源放大器，不仅可以补充无源网络中的能量损耗，还可以根据要求提高信号的输出功率。在使用运算放大器作为有源器件的滤波器中，由于运算放大器有许多优点，电路具有体积小、精度高、性能稳定、易于调试等特点。另外，由于运算放大器有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，多级相联时相互影响很小，可以用低阶滤波器级联的简单方法构成高阶滤波器，且负载效应不明显。有源滤波器的限制主要是运算放大器固有特性的限制，一般来说他不适用于高压、高频、大功率的场合，而比较适用于低频和超低频的应用。2.2实验步骤2.2.1滤波器的选择1.关于滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好2.级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。3.运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了满足足够深的反馈以保证所需滤波特性，运放的开环增应在80dB以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中为滤波通带的传输系数。如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100kΩ，则应选低漂移高输入阻抗的运放。4.元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率fc(ωc)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表1.1.2初选电容值。8表1.1.2滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(1~10)Hz（10~102）Hz（102~103）Hz（1~10）KHz（10~103）KHz（102~103）KHzC(20~10)F（10~0.1）uF（