有源低通滤波器的课程设计四阶巴特沃斯滤波器.docx
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有源低通滤波器的课程设计四阶巴特沃斯滤波器
电气工程学院
有源低通滤波器课程设计
设计题目：
有源低通滤波器设计
学 号：
姓名：
同组人：
指导教师：
设计时间：
2012年11月20号
设计地点：
电气学院实验中心
有源低通滤波器课程设计成绩评定表
姓名
学号
课程设计题目：
有源低通滤波器设计
课程设计答辩或提问记录：
成绩评定依据：
课程设计预习报告及方案设计情况（30％）：
课程设计考勤情况（15％）：
课程设计调试情况（30％）：
课程设计总结报告及答辩情况（25％）：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
有源低通滤波器课程设计任务书
学生姓名：
指导教师：
一、课程设计题目：
有源低通滤波器设计
二、课程设计要求
1.根据具体设计课题技术指标与给定条件，独立进行方案论证与电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；
2.查阅有关参考资料与手册，并能正确选择有关元器件与参数，对设计方案进行仿真；
3.完成预习报告，报告中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；
4.进实验室进行电路调试，边调试边修正方案；
5.撰写课程设计报告——最终电路图、调试过程中遇到问题与解决问题方法。
三、进度安排
1．时间安排
序号
内容
学时安排（天）
1
方案论证与系统设计
1
2
完成电路仿真，写预习报告
1
3
电路调试
2
4
写设计总结报告及答辩
1
合计
5
设计调试地点：
电气楼410
2．执行要求
课程设计共5个选题，每组不得超过2人，要求学生在教师指导下，独力完成所设计详细电路（包括计算与器件选型）。
严禁抄袭，严禁两篇设计报告雷同。
摘要
滤波器用于对信号频率具有选择性电路，它功能是使特定频率范围内信号通过，有源滤波器被广泛用于信息处理、数据传送等电路中。
在对二阶有源低通滤波器原理进行分析基础上，采用2个2阶低通滤波电路级联方案，设计了基于巴特沃斯逼近4阶有源低通滤波器。
在Multisim软件中使用虚拟示波器、波特图示仪等设备，对设计滤波器交流特性进行仿真，并对仿真结果进行了分析，其交流特性符合理论设计，具有一定参考价值。
关键词：
滤波器，有源低通，巴特沃斯，multisim
Abstract
Abstract：
Filteristhecircuitwhichhasaselectiveforthefrequencyofsignals，itsfunctionistomakeaspecificrangeoffrequencythrough．Sourcefilteriswidelyusedforinformationprocessinganddatatransmissioncircuit．Basedontheanalysisofprincipleof2ndSourcelowpassedfilter，byusingtheSchemeofcascadingtwo2ndsourcelow-passedfilterandthemethodofexaminingthetable，the4ndsourcelow-passedfilterbasedonButterworthisdesigned．ByusingtheoscilloscopeandBodeplotterinMultisim，theACFeaturesofthisFilterwasSimulated，andthesimulationresultswereanalyzed，itSACfeaturesmetwiththeorydesignandhascertainreferencevalue．
Keywords:
Sourcelow—passedfilter，Butterworth，Multisim
第一章系统方案设计
滤波器介绍
滤波器用于对信号频率具有选择性电路，它功能是使特定频率范围内信号通过，而阻止其他频率信号通过。
有源滤波器具有设计标准化、模块化、易于制造等优点，因此被广泛用于信息处理、数据传送与抑制干扰等电路中。
低通滤波器分为无源与有源两种。
无源滤波器是由电感、电容及电阻构成，由于受到尺寸与实际性能限制，电感在某些频率范围不太适用，因此，近几年来有一种趋向,即用能模拟电感效应有源器件来代替电感。
几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来。
正因如此，才使得滤波器设计得以简化，精度得以提高。
理想低通滤波器应该能使所有低于截止频率信号无损通过，而所有高于截止频率信号都应该被无限衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器（brick-wallfilter）。
遗憾是，如此理想特性是无法实现，所有设计只不过是力图逼近矩形滤波器特性而已。
根据所选逼近函数不同，可以得到不同响应。
虽然逼近函数多种多样，但是考虑到实际电路使用需求，我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。
“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦响应特性，而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡衰减特性。
所以具体选用何种特性，需要根据电路或系统具体要求而定。
有源低通滤波器设计要求
1设计内容
设计一个有源低通滤波器。
要求截止频率20k赫兹。
元器件
①运算放大器LM324二片；
②9012三极管；
③9013三极管；
④电阻若干；
⑤电容若干；
①预习方案报告；
②独立设计；
③独立调试；
④验收；
⑤设计报告；（含PCB图、原理图）
LM324系列器件带有差动输入四运算放大器。
及单电源应用场合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伏电源下，静态电流为MC1741静态电流五分之一。
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必要性。
每一组运算放大器可用图1所示符号来表示，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信号及该输入端位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo信号及该输入端相位相同。
图1LM324管脚连接图
1.4有源低通滤波器设计原理
本次设计选取选取巴特沃斯滤波器。
它特点是通频带内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。
在振幅对数对角频率波特图上，从某一边界角频率开始,振幅随着角频率增加而逐步减少，趋向负无穷大。
一阶巴特沃斯滤波器衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。
二阶巴特沃斯滤波器衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器衰减率为每倍频18分贝、如此类推。
巴特沃斯滤波器振幅对角频率单调下降，并且也是唯一无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样形状滤波器。
只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。
其他滤波器高阶振幅对角频率图与低级数振幅对角频率有不同形状。
巴特沃斯低通滤波器平方幅度响应为:
其中，n为滤波器阶数，Wc为低通滤波器截止频率。
图2展示了2阶、4阶、8阶巴特沃斯低通滤波器幅频特性。
可见阶数n越高，其幅频特性越好，低频检测信号保真度越高。
图2巴特沃斯幅频滤波器幅频特性
1.5有源低通滤波器设计方案
4阶有源低通滤波器可以由2个2阶低通滤波器级联组成，其基本电路图如图3所示。
设计4阶巴特沃思低通滤波器传递函数，用2个2阶巴特沃思低通滤波器构成1个4阶巴特沃恩低通滤波器，其传递函数为：
为了简化计算，其参数满足如下条件：
选取C=0.01uF，可算得R=796Ω。
4阶巴特沃思低通滤波器2个阻尼系数为：
-0.765,1.848，由此算得两个零频增益为：
则传递函数为：
可以选择两个2阶巴特沃斯低通滤波器级联组成。
增益分别为：
对于第一级，若选取R3=61KΩΩ；
对于第二级，若选取R7=20KΩΩ。
图34阶巴特沃斯低通滤波器基本电路
第二章仿真
根据1.4设计方案，选择合适元器件，利用multisim进行仿真。
仿真电路图如图4所示。
图4multisim仿真电路图
2.2仿真结果分析
用示波器观测电路瞬态仿真特性，连接如图所示。
图5利用示波器观察瞬态特性
当输人信号为2V、1KHz时，输入、输出波形如图6所示，幅值放大了2．6倍；把信号频率调整到10kHz，发现图7中波形不仅幅值已经明显衰减，相位也发生变化，可明显看出该滤波对大于截止频率信号有较强抑制作用；当输入信号变成50KHz时，图8中输出信号几乎衰减为0。
图6
图7fi=20
图8fi=50
利用波特仪可以观察输入信号及输出信号只见得频率特性，接法如图9所示。
图9利用波特仪观察瞬态特性
由于电路经滤波器放大了2．6倍，由图10可以看出对应对数坐标为8．219dB，减去3dB即是对应截止频率，故在波特图仪上对应截止频率纵坐标应是5．219dB。
观察图11可得，该滤波器截止频率约为kHz，及理论计算值相符。
当频率开始出现衰减时候，观察图12，可知开始频率约为16.832左右；当频率调整到kHz时，如图13所示，对应纵坐标约等于dB，可见该滤波器可有效衰减高频信号，具有良好滤波特性。
图10波特仪幅频特性分析结果1
图11波特仪幅频特性分析结果2
图12波特仪幅频特性分析结果3
图13波特仪幅频特性分析结果4
第三章电路调试
3．1实物面包板图
根据实验方案以及仿真，最终连成面包板整体如图14所示。
图15为滤波器部分放大模型。
图14实物面包板整体电路图
图15实物面包板滤波器部分放大图
各部分详细功能如图16所示。
图16实物面包板详细功能图
3．2调试最终元器件阻值
对安装好电路按一下方法进行调整与测试：
（1）仔细检查装好电路，确定元件及导线连接无误后，接通电源。
（2）在电路输入端Vi=1V正弦信号，慢慢改变输入信号频率，用示波器观察输出电压变化。
在滤波器截止频率附近，观察电路是否具有滤波特性，若没有滤波特性，应检查电路，找出故障原因并排除之。
（3）若电路具有滤波特性，可进一步进行调试。
观测其截止频率是否满足设计要求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它指标参数产生影响。
然后观测电压放大倍数是否满足设计要求，若不达到要求，应根据相关公式调整有关元件，使其达到设计要求。
通过测试设计值点电路板结果，对电路板进行修正以达到设计要求。
实验中利用820Ω电阻代替了796Ω电阻。
61kΩ电阻由10Ω与51Ω电阻串联而成，20Ω电阻用两个10ΩΩΩ。
虽然及仿真结果有偏差，但是实验结果满足要求。
各元件阻值如图17所示。
图17最终电路各元器件阻值
3．3PCB制版
利用altiumdesigner进行PCB制版。
绘制电路板流程为：
设计好原理图sch→→改变封装→→绘制pcb板→→布局布线→→打印pcb图纸→→印制铜板→→腐蚀铜板→→钻孔→→焊接元器件→→测板→→修改电路→→测试（直到符合设计要求）。
PCB板模型如如图18，19。
图18PCB印刷电路板正面
图18PCB印刷电路板反面
第四章结论
实验仿真结果如图
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