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课程设计
摘要
在《模拟电子技术基础》上，针对课设要求，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，设计有源二阶低通滤波器，计算出符合条件要求的原件参数，通过Multisim仿真和焊接实现此电路，验证参数的取值。
最后，通过焊接和调试，较成功地验证了参数的取值，因此，成功地完成了本次设计任务。
关键词：
有源二阶低通滤波器
目录
摘要……………………………………………………………………………………………...1
前言……………………………………………………………………………………………...3
第一章设计内容及要求…………………………………………………………………....4
第二章设计方案……………………………………………………………………………..5
2.1工作原理…………………………………………………………………………...5
2.2原理图……………………………………………………………………………....5
2.3二阶压控低通滤波器…………………………………………………….6
2.3.1电路图…………………………………………………………………………..6
2.3.2参数计算………………………………………………………………………..6
2.4无限多路反馈低通滤波器……………………………………………….….6
2.4.1电路分类与选择……………………………………………………….…7
1.巴特沃斯滤波器......................................................................................7
2.切比雪夫滤波器....................................................................................................7
3.贝塞尔滤波器……………………………………………………………......7
2.4.2参数选择................................................................................................8
2.5仿真图...........................................................................................................8
第三章测试与调试...................................................................................................10
3.1压控电压源低通滤波器..............................................................................10
3.2巴特沃斯低通滤波器..................................................................................10
第四章实验小结.......................................................................................................12
第五章参考文献.......................................................................................................12附录一.........................................................................................................................13
附录二.........................................................................................................................15
附录三.........................................................................................................................15
前言
滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。
“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。
该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。
因为自变量时间‘是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号（AnalogSignal）。
随着数字式电子计算机（一般简称计算机）技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。
也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。
信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。
信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。
滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。
第一章设计内容及要求
低通滤波器：
它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。
本次设计任务和要求如下：
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f=2kHZ。
③增益Av=2。
注：
可使用实验室电源。
第二章设计方案
2.1工作原理
有源滤波器由无源元件（一般用R和C）和有源器件（如集成运算放大器）组成。
输入阻抗高，输出阻抗低，因此它可以放大。
利用有源滤波器可以突出需要频率的信号，衰减无用频率的信号，以达到选频的目的。
下面是本次设计的系统组成：
在输入端接入函数信号发生器，通过RC回路进行滤波，突出需要频率的信号，衰减无用频率的信号，以达到选频的目的。
然后，将信号输入LM324放大器中，通过放大器与电阻的串并联，实现输入信号的放大，使其达到设计要求，并且在输出端接入示波器进行数据的测量。
2.2原理图
图2.1二阶低通有源滤波电路
RC组成滤波系统，R1与R2构成二阶低通有源电路的放大倍数。
在集成运放输出到集成运放同向输入端之间引入一个负反馈。
反馈信号将消弱输入信号，使电压放大倍数减小，因此高频段的幅值减小，只允许低频段信号通过。
2.3二阶压控低通滤波器（用文字叙述电路原理）
2.3.1电路图
图2.2.电路图
2.3.2参数计算
因为
所以，取
因此可得
又因为
所以
为了使集成运放两输入端电阻对称，应有:
所以
其中
为电位器。
2.4无限多路反馈低通滤波器
2.4.1电路分类与选择
1.巴特沃斯滤波器
巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。
在振幅的对数对角频率的波特图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。
2.切比雪夫滤波器
切比雪夫滤波器，又名“车比雪夫滤波器”，是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。
切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。
切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。
3.贝塞尔滤波器
电子学和信号处理中，贝塞尔滤波器是具有最大平坦的群延迟（线性相位响应）的线性过滤器。
虽然贝塞尔滤波器在它的通频带内提供平坦的幅度和线性相位（即一致的群延时）响应，但它的选择性比同阶（或极数）的巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器要差。
因此，为了达到特定的阻带衰减水平，需要设计更高阶的贝塞尔滤波器，从而它又需要仔细选择放大器和元件来达到最低的噪声和失真度
本次试验选用的是巴特沃斯滤波器，其电路图如下：
（用文字叙述电路原理）
图2.3巴特沃斯滤波器
2.4.2参数选择
根据实验室情况，选用两个电容
电阻
电位器
2.5仿真图
图2.4二阶低通压控滤波器仿真图
图2.5巴特沃斯滤波器仿真图
第三章测试与调试
3.1压控电压源低通滤波器
在调试与测试后，得到的数据如下：
表格3.1数据记录处理
频率（f/kHZ）
输入电压（
/V）
输出电压
（
/V）
电阻（
/kΩ）
电阻（理/kΩ）
误差
截止频率（测/kHZ）
截止频率（理/kHZ）
误差
2
2
2.8
4.3
3.2
34%
2
2
0%
0.8
2
4
3.1.1误差分析
由数据处理来看，出现了或大或小的误差，产生这些误差的原因有以下几种可能：
1元件老化，所示值与实际接入电路的值不相符合；
2函数发生器所产生的正弦波的频率与所显示的有所误差；
3示波器显示的数据在跳动，人为读数的时候，存在读数误差；
4人为测量电阻时，有肯能因接触不良而产生误差；
3.1.2实验结论
在实验误差允许的范围内，各记录数据与理论计算相差不大，且随着输入频率的增加，增益Avp逐渐减小，因此，本次设计的截止频率为2Khz的压控电压源二阶低通滤波器，还算是成功的。
3.2巴特沃斯低通滤波器
在调试与测试后，得到的数据如下：
表格3.2数据记录处理
频率（f/kHZ）
输入电压（
/V）
输出电压
（
/V）
电阻（
/kΩ）
电阻（理/kΩ）
误差
截止频率（测/kHZ）
截止频率（理/kHZ）
误差
2
2
3.04
3.45
3.6
4.1%
2.3
2
15%
0.8
2
4
2.3
2
2.8
3.2.1误差分析
由处理的数据来看，结果存在误差，出现这些误差的原因有以下几种可能：
1元件老化，所示值与实际接入电路的值不相符合；
2函数发生器所产生的正弦波的频率与所显示的有所误差；
3示波器显示的数据在跳动，人为读数的时候，存在读数误差；
4人为测量电阻时，有肯能因接触不良而产生误差；
5整个测量系统本身存在系统误差；
6LM324不能达到理想的放大条件，放大倍数不够。
3.2.2实验结论
在实验误差允许的范围内，各记录数据与理论计算相差不大，且随着输入频率的增加，增益
逐渐减小，因此，本次设计的截止频率为
的巴特沃斯二阶低通滤波器，还算是成功的。
第四章实验小结
通过本次模拟电路课程设计，更加了解了有关模拟电路的相关知识，第一次的课设是很兴奋的，也是很紧张的。
通过各个渠道，查找有关资料，设计出符合要求的模拟电路，是一次不错的经历，为以后的学习和工作打下了坚实的基础。
本次设计的有源二阶低通滤波器，运用了两种方法，分别为压控电压源和无限增益多路反馈，其中无限增益多路反馈采取了巴特沃斯二阶低通滤波器。
从实验数据记录的结果来看，压控二阶低通电路截止频率比较准确，而电阻误差相对较大；而，巴特沃斯滤波器的电阻误差小，截止频率误差相对较大。
出现这些误差的原意应该有很多，此前已经阐述过。
因此，希望在以后的电路设计和实现过程中能够避免一些不必要的误差，提高设计的精度。
而且本次设计的有源二阶低通滤波器的主要目的是要让学生了解低通滤波器的特点，为以后的设计打下基础。
因为，目前低通滤波器运用于通信科技、大气科学等方面，所以有关专业的学生掌握好这样的电路特点与设计方法，能够更好的适应于更多的学科和社会科技的发展。
参考文献
[1]华成英，模拟电子技术基础教程[M].北京：
清华大学出版社，2006.
[2]程民利，低频电子线路[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2000.
[3]刘祖刚，模拟电路分析与设计基础[M].湖北：
机械工业出版社出版发行，2008.
[4]高吉祥，电子技术基础实验与课程设计[M].南京：
电子工业出版社，2002.
[5]周敏，唐永强，电子技术[M].北京：
高等教育出版社，2000.
[6]骆雅琴，电子技术辅导与实习教程[M].合肥：
中国科学技术大学出版社，2004.
附录一
简介
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图1。
说明
LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。
从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。
应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。
例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。
参数与描述
运放类型:
低功率 放大器数目:
4
带宽:
1.2MHz 针脚数:
14
工作温度范围:
0°Cto+70°C 封装类型:
SOIC
3dB带宽增益乘积:
1.2MHz 变化斜率:
0.5V/μs
器件标号:
324 器件标记:
LM324AD
增益带宽:
1.2MHz 工作温度最低:
0°C
工作温度最高:
70°C 放大器类型:
低功耗
温度范围:
商用 电源电压最大:
32V
电源电压最小:
3V 芯片标号:
324
表面安装器件:
表面安装 输入偏移电压最大:
7mV
运放特点:
高增益频率补偿运算 逻辑功能号:
324
特点
1.短路保护输出 2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V 4.低偏置电流：
最大100nA
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
这个是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6,7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13,14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7,8,14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。
单位增益内部频率补偿 大直流电压增益100dB的
带宽（单位增益）1兆赫（温度补偿） 低输入偏置电流45NA（温度补偿）电源范围宽：
单电源3V至32V电源或双电源±1.5V至±16V
极低的电源漏电流（700μA）基本上是独立的电源电压
低的输入失调电压为2mV和失调电流：
5NA 输入共模电压范围包括地面 差分输入电压范围的电源电压等于大输出电压摆幅0V至V+-1.5V
附录二元件清单
元件
型号
大小
个数
备注
电阻
R1、R2
800Ω
2
有可能需要多个电阻串联才行
电阻
R3、R3
3.2kΩ
2
电阻
R5
1.5kΩ
1
电阻
R6
3.6kΩ
1
电阻
R7
6kΩ
1
电容
C1、C2
0.1uf
2
容抗准确
电容
C3、C4
0.005uf
2
运算放大器
LM324
/
2
附录三实验仪器
直流稳压电源函数信号发生器
双踪示波器万用表
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