二阶低通滤波器.docx
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二阶低通滤波器
钦州 学 院
《模拟电子》课程设计报告
院系机械与船舶海洋工程学院
专业过程控制自动化
学生班级2013级133班
姓名刘良新
学号1305402313
指导教师单位钦州学院
指导教师姓名张晓培
指导教师职称
2016年10月
二阶低通滤波器
自动化专业2013级刘良新
指导教师张晓培
摘要：
滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。
滤波一般可分为有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。
二阶低通滤波器可用压控和无限增益多路反馈。
采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。
压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级联。
本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，采用proteus仿真软件对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。
关键词：
二阶低通滤波器，截止频率，电路设计
设计目的:
（1）进一步掌握模拟电子技术课程所学的理论知识，重点复习滤波器设计需要的知识点。
（2）了解滤波器的工作原理，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
（3）了解并熟悉电路设计的基本思想和方法。
前言
当今时代，随着科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和科学技术领域中占有不可或缺的核心地位。
同时在国家的事业中发挥了重大作用，只有科技才能使一个国家变得真正强大。
作为一名大学生不仅仅要努力学习理论知识，还要把理论运用到实践中去，做到学以致用。
低通滤波器的使用非常广泛。
该种滤波器只让规定的低频率通过，而且电路性能稳定，增益易调节。
利用这一特点不仅可以通过有用信号还可以抑制无用信号。
工程上常常用低通滤波器作信号处理，数据传输和抑制干扰。
例如：
无线电发射机利用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射；固体屏障也是一个声波的滤波器，当一个房间播放音乐时很容易听到低音，但高音被滤掉了。
我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率虽然基本上满足现有各种电信设备。
但从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。
我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍是一个问题。
第一章课程设计任务及要求
1.1设计要求
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fc=2000HZ
3.增益Av=2
第二章系统组成及工作原理
2.1有源二阶压控滤波器
基础电路如图1所示
图2.1二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：
（2-1）
令
称为通带增益--------------------（2-2）
称为等效品质因数-----------------（2-3）
称为特征角频率--------------------（2-4）
则
-------------------------------------------------（2-5）
注
滤波电路才能稳定工作。
2.2无限增益多路反馈有源滤波器
基本形式图2
图2.2无限增益多路反馈有源滤波基础电路
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C1在电路参数不合适时会产生自激震荡。
为了避免这一点，Aup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，构成反相输入的二阶低通滤波电路，这样既能提高滤波电路的性能，也能提高在f=f0附近的频率特性幅度。
由于所示电路中的运放可看成理想运放，即可认为其增益无穷大，所以该电路叫做无限增益多路反馈低通滤波电路。
----------------------（2-6）
-------------------------------------------（2-7）
其中：
，
为品质因数。
第三章电路设计、参数计算、器件选择
3.1二阶压控低通滤波器设计及参数计算
（3-1）
所以根据上述推导公式可得：
电路设计时应该使得R1:
R2=1,取R1=R2=10K，然后由中心频率计算公试可以取C1=C2=0.1uF,可以得出电阻R3=600Ω,R4=1000Ω.本次课设电路中用1k的电位器调节的到600Ω代替。
仿真电路图如下所示：
图3.1.1压控电压源二阶低通滤波
3.2无限增益多路反馈有源滤波器的设计及参数计算
通带内的电压放大倍数：
（3-2）
滤波器的截止角频率：
（3-3）
根据上述推导公式可得：
电路设计时应该使得C3=C4，则可以取C3=C4=0.1uF，然后由中心频率计算公式，电压增益公式以及品质因素的公式计算参数，依据以上三个公式，取f0=2KHz，Q=0.707，令R5=200,R7=100Ω，R6=400Ω,而实践中，电阻测量值与标称值有较大误差，本电路中R5,R7用1K的电位器调节得到，使得其等于200Ω和100Ω即可基本达到设计要求。
其仿真电路图如下
图3.2.1无限增益多路反馈低通滤波电路
第四章电路组装及调试
4.1压控电压源二阶低通滤波电路
图4.1.1压控有源二阶低通滤波基础电路
当输入的信号频率小于截止频率2000hz，其电路的增益为2.即其波形的峰峰值是两倍。
当f=1KHZ，f=2KHZ，f=4KHZ时得仿真图如下
图4.1.2f=1KHZ时仿真图
图4.1.3f=2KHZ时仿真图
图4.1.4f=4KHZ时仿真图
4.2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器
当输入的频率是1000HZ，2000HZ，4000HZ的交流电源是
输出信号的波形图分别如下：
输出与输入的倍数关系分别是2倍，1.3倍然后是截至了，趋于0.
滤波器的滤波效果已经达到，截至频率是2000HZ。
小于2000HZ时，输出波放大2倍。
图4.2.1f=1KHZ时仿真图
图4.2.2f=2KHZ时仿真图
图4.2.3f=4KHZ时仿真图
第五章实验结论
5.1实验数据记录与分析
表5.1.1压控电压源二阶低通滤波器实验数据
f/Hz
1
2
4
输入/V
0.5
0.5
0.5
输出/V
1
0.7
0.4
理论上当输入电压0.5v,f<2KHZ时输出为输入的2倍即1v，f=2KHZ时输出约为输入的1.4倍即0.7v，f>2KHZ时输出减小逐渐趋于0。
表5.1.2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器实验数据
f/Hz
1
2
4
输入/V
0.5
0.5
0.5
输出/V
1
0.8
0.3
理论上当输入电压0.5v,f<2KHZ时输出为输入的2倍即1v，f=2KHZ时输出约为输入的1.3倍即0.8v，f>2KHZ时输出减小逐渐趋于0。
误差分析：
由于元件标称值与实际值有误差，加之仪器本身的误差，在焊接过程中电烙铁温度很高使得整块电路板很烫可能会影响各元件的性能从而带来一定误差示波器时由于导线接触不良容易产生干扰。
总的来说在误差允许之内，本次实验是成功的。
5.1设计体会
在拿到题目之初我们进行了细致的讨论，进行了分工合作，每个组员都参与其中，而我主要负责的是有关电路的设计仿真以及相关数据的计算，参照课程设计的要求，查阅了诸多相关资料，在小组内部进行讨论分析并敲定方案，在计算数据的时候，因为对一下公式的理解不够透彻，导致计算出错，最后多加查阅相关知识要点学习。
才计算正确，并成功的将实验仿真出来，我们立即购买材料，然后进行作品的制作，以及最后的调试，作品大家一起努力做了出来，虽然遇到了一些困难，但经过我们的努力最后都克服了。
参考文献
[1]王港元.电工电子实践指导.江西.江西科学技术出版社，2000
[2]康华光.电子技术基础模拟部分.北京.高等教育出版社，2005
[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京.高等教育出版社，2008
[4]彭介华.电子技术实验与课程设计.北京.高等教育出版社，2003
附录一芯片介绍：
产品型号：
LM324N
1.概述与特点
LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。
它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。
本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。
其特点如下：
●具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V~30V，双电源±1.5V~±15V
●内含相位校正回路,外围元件少
●消耗电流小:
Icc=0.6mA（典型值,RL=∞）
●输入失调电压低:
±2mV（典型值）
●电压输出范围宽：
0V~Vcc—1.5V
●共模输入电压范围宽：
0V~Vcc—1.5V
●封装形式：
DIP14
附录二元件清单
元件序号
型号
参数
数量（个）
电位器
W102
1K
5
电阻
10K
2
电容
104
0.1uf
4
芯片
LM324
1
附录三实物图
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