二阶低通滤波器课程设计.docx
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二阶低通滤波器课程设计
学号********
天津城市建设学院
模拟电子技术基础
设计说明书
二阶低通滤波器
起止日期:
2010年12月24日至2010年12月31日
学生姓名
班级
成绩
指导教师(签字)
电子与信息工程系
2011年1月2日
第一章电路设计
1.1集成运算放大器
图1是集成运放的符号图,1、2端是信号输入端,3、4是工作电压端,5是输出端,在实际中还有调零端,频率补偿端和偏置端等辅助端。
集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成,因此一般具有两个输入端以及一个输出端。
图中标有“+”号的是同相输入端,标有“—”号的是反相输入端,当信号从同相端输入时,输出信号和输入信号同相,反之则反相。
当集成运放工作在线性区时,它的输入信号电压和输出信号电压的关系是:
(1)
式中
是运放器的放大倍数,
是非常大的,可达几十万倍,这是运算放大器和差分放大器的区别,而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高,一般达几百千欧到几兆欧,因此在实际应用中,常常把集成运放器看成是一个“理想运算放大器”。
理想运算放大器的两个重要指标为:
(1)差模输入阻抗为∞;
(2)开环差模电压增益Aod为∞。
根据这两项指标可知,当理想运算放大器工作在线性区时,因为其输入阻抗为∞,因此在其两个输入端均没有电流,即在图1中
,如同两点被断开一样,这种现象称为“虚断”。
又因为
,根据输入和输出端的关系:
,所以认为运放的同相输入端与反相输入端两点的电压相等,如同将该两点短路一样。
这种现象成为“虚短”。
“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论,常常作为分析许多运放电路的出发点。
当理想运放工作在非线性区时,则“虚短”现象不复存在。
图1集成运算放大器
1.2二阶低通电路
二阶滤波器基础电路如图2所示:
图2二阶有源低通滤波基础电路
它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成,在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈,在不同的频段,反馈的极性不相同,当信号频率f>>f0时(f0为截止频率),电路的每级RC电路的相移趋于-90º,两级RC电路的移相到-180º,电路的输出电压与输入电压的相位相反,故此时通过电容c引到集成运放同相端的反馈是负反馈,反馈信号将起着削弱输入信号的作用,使电压放大倍数减小,所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减,只允许低频端信号通过。
其特点是输入阻抗高,输出阻抗低。
传输函数为:
令
称为通带增益
称为等效品质因数
称为特征角频率
则
上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式
注:
滤波电路才能稳定工作。
1.3课设电路及计算
根据本次课设要求,电路工作电压为15V,所以选用LM741芯片作为理想放大器;系统增益为0dB,所以将理想放大器反相输入端直接接到输出端,此时电路等效品质因数Q=0.5;系统带宽10KHz,即
=10kHz,所以选取电容值为10nF,由R=
得此时电阻值为1.6K
。
具体电路图如图3所示。
图3protel电路图
第二章所用元器件
2.1电阻
采用碳膜电阻器,阻值稳定性较好,阻值范围宽,温度系数较好,成本低,价格便宜。
大小为1.6K
。
2.2电容
采用金属化纸介电容器,体积小,容量可做得大,温度系数大,内部纸介击穿后有自愈作用。
大小为10nF。
2.3集成运算放大器LM741
(1)引脚
共8个引脚,其中引脚2和引脚3分别为反相输入端和同相输入端,6为输出端,7、4分别接正、负直流电源,1、5之间接调零电位器,引脚8为空。
(2)主要技术指标:
参数
LM741
最小
典型
最大
输入失调电压
1.0
5.0
输入失调电压温漂
输入失调电流
20
200
输入失调电流温漂
输入偏置电流
80
500
输入电阻
0.3
2.0
输入电压范围
大信号电压增益
50
200
输入电压幅度
+-12
+-10
+-14
+-13
共模抑制比
70
90
转换速率
0.5
电源电流
1.7
2.8
电源电压
+-22
允许功耗
+-500
差模输入电压
+-30
工作温度范围
-55~125
第三章仿真情况
图4仿真电路图
3.1当输入信号的频率为2kHz(<10kHz)时,输出波形与输入波形基本一致。
见图5红色为输入波形,橘黄色为输出波形。
图5正常的输入输出波形
3.2当输入信号的频率大于截止频率时,选取f=30kHz,输出信号较输入信号已有明显的衰减。
见图6其中红色为输入波形,橘黄色为输出波形,很明显,基本上已经没有输出了。
图6基本全部截止的输出波形
3.3输出函数波特图
图7输出函数波特图
第四章课设总结
4.1心得体会
实习了两个星期的,我们学会了很多东西,培养了动手能力也为我们以后的工作打下了良好的基础。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多专业知识问题,最后在老师的辛勤指导下,终于游逆而解。
同时,在老师的身上我们学也到很多实用的知识,在次我们表示感谢!
同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
4.2个人答辩问题
问题:
(1)设计所用的集成运算放大器是什么?
(2)频率f是怎么计算的?
答:
(1)LM741
(2)f=1/(2*pi*R*C)
参考文献
[1]康华光,北京:
高等教育出版社,2006.1
[2]邵毅全马耀庭SHA等,二阶有源低通滤波器设计与仿真研究。
学术期刊(激光杂志)2009年3期
[3]朱达群,施围著,电子电气电路仿真。
中国电力出版社2009
[4]郑君里等编著,信号与系统。
高等教育出版社2000