二阶低通滤波器课程设计报告Word文档下载推荐.doc

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第1周：

周一至周三查资料，完成原理图设计及仿真；

周四至第2周周四，完成系统的制作、调试；

第2周：

周五设计结果检查。

学生姓名：

杨辉

指导时间：

周一、周三、周四下午

指导地点：

F楼210室

任务下达

2012年2月13日

任务完成

2012年2月24日

考核方式

1.评阅□2.答辩□3.实际操作□4.其它□

指导教师

程宜凡

系（部）主任

付崇芳

注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；

任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

在实际的电子系统中,我们需要的信号往往和别的信号混杂在一起,这就应当设法把所需要的信号挑选出来。

而在另一些场合,有用信号因受到干扰而搀杂了不必要的成份,这时候就应当设法将干扰衰减到最小的程度。

为了解决上述问题,最常用的方法是采用有源滤波器。

在有源滤波器中,低通有源滤波器是最常用的电子线路。

在本次课程设计中，我们主要介绍两种二阶低通滤波器：

二阶压控电压源低通滤波电路和二阶无限增益多路反馈低通滤波电路。

这两种滤波器都是由电阻、电容和运算放大器构成，电阻和电容组成滤波系统，而运算放大器和电阻组成放大系统。

这里的运算放大器由我们常用的LM324集成芯片来实现。

经过近两周的设计、制作与调试后，本次课程设计最终顺利完成。

虽然在设计期间遇上过一些小困难，但是经过我们多次的分析计算后，最终还是成功的调试了出来。

总的来说，本次电路设计完成了全部的设计要求。

关键字：

二阶低通滤波器、压控电压源、无限增益多路反馈、运算放大器、LM324

目录

第一章设计任务 5

1.1课设题目 5

1.2设计任务和要求 5

第二章系统组成及工作原理 5

2.1二阶压控电压源低通滤波电路 6

2.2二阶无限增益多路反馈低通滤波电路 10

第三章产生二阶低通滤波系统中各个电路的设计 12

3.1二阶压控电压源低通滤波的设计 12

3.1.1电路的选择 12

3.1.2电路元件参数的计算 13

3.2二阶无限增益多路反馈低通滤波的设计 14

3.2.1电路的选择 14

3.2.2元件参数的设定 15

第四章各个模块电路的仿真 17

4.1二阶压控电压源低通滤波的仿真 17

4.1.1仿真电路 17

4.1.2仿真数据 17

4.1.3仿真波形图 18

4.2二阶无限增益多路反馈低通滤波的仿真 18

4.2.1仿真电路 18

4.2.2仿真数据 19

4.2.3仿真波形 19

4.3结论 19

第五章电路调试与测试及分析 20

第六章结论 21

参考文献 22

附录1电路总设计图 23

附录2芯片LM324资料 24

附录3元件清单 25

附录4作品实物图 26

第一章设计任务

1.1课设题目

制作二阶低通有源滤波器。

1.2设计任务和要求

②截止频率；

③增益；

第二章系统组成及工作原理

二阶有源滤波器的典型结构如图1所示。

图1二阶有源滤波器的典型电路

其中，Y1～Y5为导纳，考虑到UP=UN，根据KCL可求得

（1）

式

（1）是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式，式中，。

只要适当选择Yi，1≤i≤5，就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。

2.1二阶压控电压源低通滤波电路

（1）二阶压控电压源低通滤波器的理论分析

设Y1=1／R1，Y2=sC1，Y3=O，Y4=1／R2，Y5=sC2，将其代入式

（1）

中，得到二阶压控电压源低通滤波器的传递函数为

（2）

有源二阶压控电压源低通滤波器基础电路如图2所示：

图2有源二阶压控电压源低通滤波器基础电路

它由两节RC滤波电路和同相比例运算电路组成，在集成运放输出端与集成运放同相输入端之间通过引入一个正反馈。

在不同的频段，反馈的作用效果也有很大的不同，当信号频率时（为截止频率），由于的容抗很大，反馈信号很弱，因而对电压放大倍数的影响也很小，可以使增益；

当信号频率时（为截止频率），虽然的容抗很小，但由于的容抗很小，使得集成运放同相输入端的信号也很小，输出电压必然也很小。

所以，只允许低频率信号通过。

我们可以令

（3）

使（3）式的分母多项式为零,解此一元二次方程,可得到传递函数的两个极点是

（4）

定义

（5）

为滤波电路的特征角频率。

定义

（6）

为滤波电路的通带截止频率。

则有

（7）

（8）

为此滤波电路的反馈电压放大倍数。

（9）

为此滤波电路的等效品质因数,在数值上它等于时滤波器的电压放大倍数与通带电压放大倍数之比。

将上面的式子代入

（2）式得

（10）

为了求出二阶有源低通滤波器的频率响应,可令（8）式中的,由此求得其幅频响应和相频响应为

纵坐标用归一化后的幅值取对数表示,设为滤波器在通带内的电压放大倍数,数值上，则

（13），

由式（13）可以求出不同Q值下的幅频特性,如图3所示。

图3二阶压控电压源的幅频特性曲线

由图可见,当Q=0.707时,幅频特性最平坦,而当Q>

01707时,在通带截止频率附近幅频特性曲线将会上翘。

Q值越大特性曲线上翘得越厉害。

可见Q值具有重要的意义,Q值不同,幅频特性曲线的形状也不同。

在设计滤波器时,Q值是一个重要的参数。

定义

（14）

为通带截止频率对R1的灵敏度系数,可以通过求dfcp/dR1得到

（15）

上式表示如果R1增加1%,通带截止频率将减小0.15%.

同理

（16）

要合理地选择集成运算放大器。

为保证所设计的滤波器能够稳定地工作,一般要求所选集成运放在附近的开环电压放大倍数满足下式

（17）

一般集成运放的开环电压放大倍数都在以上,这个条件很容易满足。

2.2二阶无限增益多路反馈低通滤波电路

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，同时电容在电路中引入了一定量的正反馈，所以，在电路参数不合适时会产生自激振荡。

为避免这一点，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电路相同的方式，引入多路反馈，构成相反输入的二阶低通滤波电路，如图4所示，这样既能提高滤波电路的性能，也能提高在附近的频率特性幅度。

由于所示电路中的运放可以看成理想运放，即可以认为其增益无穷大，所以该电路叫做无限增益多路反馈低通滤波电路。

图4二阶无限增益多路反馈低通滤波电路

利用输出电压与N点电位的关系，可以得到门店的电流方程为

电路的传递函数为

（18）

其中

令特征频率

或

则品质因子

从（18）式可以看出，包括s的一次项系数大于零，所以滤波电路不会因通带增益数值过大而产生自激振荡。

第三章产生二阶低通滤波系统中各个电路的设计

为了让自己的制作出来的产品更有实际的作用，效果达到最佳，我们可以应用所学的模拟电子技术基础知识来制作截止频率为2KHZ，放大倍数为2的二阶有源滤波器。

我们可以计算出，当设计电路的品质因数Q=0.707时，电路的滤波效果达到最佳。

所以，在电路分析计算时，我们可以把品质因数Q看作一常数来处理，即Q=0.707。

基于品质因数Q=0.707，来设计下面的电路

3.1二阶压控电压源低通滤波的设计

3.1.1电路的选择

选择电路的原则应力求结构简单，调整方便，容易满足指标要求。

现在，我们选择图2所示的二阶压控电压源低通滤波电路。

图5二阶压控电压源低通滤波电路

3.1.2电路元件参数的计算

由设计要求可知，截止频率为，增益。

因为增益，即电路放大倍数为2，则同相比例放大电路的放大倍数为则不妨设

又

方案一:

先设定，代入到上面的公式中可以得到

代入可计算得出

又由,解得

由实际电子元器件标称值可以设定

430

560

162．5

①330+②22

470

193．6

方案二:

代入可计算得出

又由,解得

由实际电子元器件标称值可以设定

5627

11254

10

562．7

1125．4

100

考虑到实际调试，方案二更为方便，所以总元件设定的参数

3.2二阶无限增益多路反馈低通滤波的设计

3.2.1电路的选择

二阶无限增益多路反馈低通滤波电路的选择要求与二阶压控电压源低通滤波的相同，这里就不多讲了，我们选择图4所示的电路。

图6二阶无限增益多路反馈低通滤波电路

3.2.2元件参数的设定

由设计要求可知，截止频率为，增益。

因为增益，即电路放大倍数为2，由上面电路分析可知

则同相比例放大电路的放大倍数为则

又