模电课设滤波器.docx

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模电课设滤波器

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

题目:

二阶有源滤波器电路设计初始条件：

具备模拟电子电路的理论知识，具备模拟电路基本电路的设计能力；

具备模拟电路的基本调试手段；

自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务:

1、设计二阶低通滤波器，要求截止频率1KHZ

2、设计二阶高通滤波器，要求截止频率100HZ

3、设计二阶带通滤波器，要求中心频率1KHZ

4、通带电压放大倍数均为10，品质因素为

5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书

6、设计电源

7、焊接：

采用实验板完成，不得使用面包板。

时间安排：

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要?

1.方案选择与论证1

方案框图1

网络3

放大器3

反馈网络3

方案设计与论证3

方案设计3

方案选择5

元器件选择6

2.单元电路设计与元件参数计算7

传递函数7

低通滤波器[1]8

高通滤波器[2]9

带通滤波器[2]11

3.电路仿真分析10

低通滤波器10

高通滤波器11

带通滤波器12

4.直流稳压电源设计与实物焊接13

5.总结15

6.附录一参考文献15

二阶有源滤波器电路设计

摘要

随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用范围极广，具有较强实践性的技术基础课程。

电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革，为了培养学生的动手能力，更好的将理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。

滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

现在我们通过对滤波器的原理以及结构的理解，设计出低通、高通、带通等多种形式的滤波器。

我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。

在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。

按照设计的方案选择具体的元件，焊接出具体的实物，并在实验室对实物进行调试，观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。

最后分析出现误差的原因以及影响因素。

关键词：

滤波器设计与制作

分析

1.方案选择与论证

方案框图

RC有源滤波器主要由三部分组成：

RC网络、运算放大器和反馈网络，如图1所示

图1RC有源滤波器设计框图

网络

RC网络主要由电阻R和电容C元件构成，作为滤波器的选频网络，只允许输入信号中的某些频率成分通过，而阻止其他频率成分到达输出端。

主要构成形式为RC串联，RC并联及RC串并联。

在调节RC参数的过程时，可实现频率谐振，从而达到频率的选择作用。

放大器

集成运算放大器的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又很低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。

由于运算放大器可加电压串联负反馈，可在输入与输出之间进行很好的隔离。

这样可以通过级联的形式得到高阶的滤波器，可在滤波的同时实现信号放大。

但是，集成运算放大器的带宽有限，所以有源滤波器的最高工作频率受运算放大器的限制。

[4]

反馈网络

在电子系统中，反馈是指把输出量（电压或电流）的全部或一部分按照一定的方式送回到输入回路，从而影响输入量（电压或电流）和输出量的过程。

本次设计主要采用负反馈。

方案设计与论证

方案设计

方案一：

有源一阶RC滤波器

在无源一阶RC滤波器后的输出端连接一个电压跟随器，可以构成有源一

阶滤波器。

由于电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，电压跟随器的加入使RC低通滤波器与负载隔离，增强电路的带负载能力。

若无运算放大器隔离，则滤波器参数将受负载影响。

[1]

如果希望电路不仅有滤波功能，而且能起放大作用，则只要将电路中的

电压跟随器改为同相比列放大电路即可。

下面以有源一阶RC低通滤波器为例

说明

图2一阶有源低通滤波器电路及其幅频响应

由电路计算可得该电路的传递函数为

A（s）A0

（1）

1s

H

由式

（1）可得如图2所示电路的幅频响应特性曲线，式中A0=AVF，ωH指增益

下降3dB时的截止频率。

但该一阶滤波器频率特性并没有理想特性，即陡直下降。

阶滤波器的缺点是：

从幅频特性来看，一阶滤波器的效果还不够好，它只

有20dB/十倍频的衰减率，若要衰减率下降的更快，如40dB/十倍频、60dB/十倍

频的斜率变化，则需采用二阶、三阶滤波器

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。

方案二：

简单二阶有源滤波器

为了使输出电压在带外以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一阶RC

图3单二阶低通滤波器

图3所示为简单二阶低通滤波器电路。

它由二阶RC滤波器和同相放大放大电路组成，其中同相放大电路实际上就是所谓的电压控制电压源，它的电压增益，就是低通滤波的通带电压增益，此时各电容器可视为开路，即A0AVF1Rf.电路的幅频特

R1

性曲线如图4所示。

由电路可求得有源二阶低通滤波器的传递函数为

A0

在频率超过截止频率后，幅频特性以-40dB/十倍频的速率下降，比一阶下降得快。

方案三：

有源二阶压控型RC滤波器

以有源二阶压控型低通滤波器为例说明，图5为其电路图。

图5有源二阶压控型低通滤波器

其中的一个电容器C2在方案二中是接地的，现在改接到输出端，形成集成运算放大器的正反馈。

对于这个反馈，左边的电容C2使相位超前，右边的电容C1使相位滞后。

只要参数选得合适，可使整个电路在f0附近既带有正反馈而又不造成自激震荡。

这样，就可使滤波器在f=f0附近的电压增益提高，使f=f0附近的对数幅频特

性接近理想水平。

该电路的传递函数为

A0

图6为有源二阶压控型低通滤波电路幅频响应特性曲线。

图6有源二阶压控型低通滤波电路幅频响应特性曲线

方案选择

滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。

一个理想的滤波器应在要求的频（通内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。

然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。

用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。

因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。

三种方案中，一阶滤波器滤波效果不够好，衰减率下降不够快；简单二阶滤波器在通带截止频率之间下降还不够快，为了加快滤波器在通带截止频率之间幅频特性下降速率，故而选择方案三中的有源二阶压控型RC滤波器。

元器件选择

本次使用普通的LM324。

管脚图以及内部结构如图7所示。

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图8初选电容值。

具体电阻、电容的选择根据计算结果参见图9

图7LM324管脚图及其内部结构图

图8工作频率范围选定电容值

图9电容电阻选择

2.单元电路设计与元件参数计算

传递函数

在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是RC元件

的组合。

在分析时可通过“拉普拉斯变换”将电流和电压变换成“象函数”，同时引入运算阻抗代替无源元件RC，求解有源滤波器的传递函数。

在此我们关心频率，输入信号可以分解成若干频率信号；输出信号可以分解成若干频率信号。

图10为二阶

RC滤波器的传输函数表

图10为二阶RC滤波器的传输函数表

类型

传输函数

性能参数

低通

——电压增益

——低、高通滤波器的截止角频率

——带通滤波器的中心角频率

BW——带通滤波器的带宽

高通

带通

低通滤波器[1]

阶低通滤波器的通带增益

截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率

品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状

低通滤波器的截止频率为1kHz，根据图9可知电容容值应选，。

又因为

Auo=1+R4/R3，Wc=2πfc

Wc/Q=1/R1C1+1/R2C1+（1-Auo）/R2C2

AVF1RRf1

为使电路稳定，又有R1+R2=R3

1

3-AVF

A0

AVF

3-AVF

23.243kHz

•・・R1・・・・

—^/W—

:

&Q6g:

:

19.999dB

R2：

：

：

：

：

：

：

3.92kQ：

:

•:

:

:

C1:

:

:

—II—

-•-100nF••

:

U1

IR3：

：

：

沁

MP3TVIRTUAL・

—・・・・

9；Q9kfI：

：

：

：

：

：

：

：

：

：

：

：

R5：

1kQ

R4

CZJlOOhF

（50Hz-

：

o工：

5Vrms

丰949.201Hz15.982dB+

总结

通过本次课设，让我学到了很多，同时也认识到了自己不足的地方。

（1）对滤波器的原理应用及简单设计有了一定的理解与掌握；

（2）对Multisim仿真软件有了进一步的认识，提升了自己对该软件的使用能力；

（3）对电路的焊接，及元器件的选择与购买积累了不少经验，为以后的课程学习打下了基础；

（4）对一个作品由构思，到查找资料，到设计与仿真，到实物制作与测试，到报告的整理与完成，这样一个系统流程有了一定了解，积累了作品的制作经验；

（5）报告的整理和书写还不熟练，花费时间很多，需要提高报告的书写能力；

6）对理论知识的掌握还不够透彻，基础并不牢固，设计电路并不完美，需要

加强对理论知识的学习

附录一

参考文献

[1]

吴友宇

《模拟电子技术基础》

清华大学出版社2009

[2]

康华光

《电子技术基础模拟部分》

高等教育出版社2007

[3]

谢自美

《电子线路设计·实验·测试》

华中科技大学出版社2006