有源低通滤波器.docx
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有源低通滤波器
引言
模拟电子技术课程设计是一门独立设课、有独立学分的实践性课程，同“模拟电子技术”理论讲授课程有密不可分的关系，起着相辅相成的作用，也是在“模拟电子技术实验”课的基础上，进一步深化的实践环节。
其主要目的是通过本课程，培养、启发学生的创造性思维，进一步理解电子系统的概念，掌握小型模拟电子系统的设计方法，掌握小型模拟系统的组装和调试技术，掌握查阅有关资料的技能。
基本任务是设计一个小型模拟电子系统。
目录
引言2
模拟电子技术课程设计任务书5
长沙学院课程设计鉴定表6
一电路原理及其介绍7
1.什么是滤波器7
2.什么是低通滤波器7
3.有源低通滤波器的运放7
4.实验的要求和目的8
5.模拟电子电路的设计流程图8
6.电路设计的一般步骤8
7.电路原理9
二电路的参数10
1.参数的要求10
2.参数的要求11
3.参数的确定12
三Multisim电路仿真12
1.电路的仿真12
3.调试中遇到的问题及解决方法14
四实验总结14
五参考文献15
模拟电子技术课程设计任务书
系（部）：
电子与通信工程系专业：
电子信息工程指导教师：
课题名称
有源低通滤波器
设计内容及要求
1、设计一个由运算放大器组成的有源低通滤波器，通频带自定义；
2、运算放大器由直流稳压电源供电。
3、测量设计的有源低通滤波器的幅频特性。
设计工作量
1、系统整体设计；
2、系统设计及仿真；
3、在Multisim或同类型电路设计软件中进行仿真并进行演示；
4、提交一份完整的课程设计说明书，包括设计原理、仿真分析、调试过程，参考文献、设计总结等。
进度安排
起止日期（或时间量）
设计内容（或预期目标）
备注
第一天
课题介绍，答疑，收集材料
第二天
设计方案论证
第三天
进行具体设计
第四天
进行具体设计
第五天
编写设计说明书
指导老师意见
年月日
教研室意见
年月日
一电路原理及其介绍
1.什么是滤波器
滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面，有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。
它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频率的信号有抑制作用。
有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。
[1]但对于滤波器设计的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，采用普通实验设计方法不仅解决不了上述问题，还花费大量时间和设计成本，以至于设计出的产品价格昂贵，电路噪声大等质量问题也不尽人意。
因此，对有源低通滤波器的设计新方法探讨，仍有积极的实际意义。
[2]随着集成运放的广泛应用,有源滤波器的应用更为广泛,因此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题。
2.什么是低通滤波器
低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。
电路的设计
二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路,也是高阶虑波器的基本组成单元。
常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反馈型和双二次型。
本次课程设计采用压控电压源型设计课题。
3.有源低通滤波器的运放
运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。
运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。
运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。
（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。
最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。
差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。
要求它愈大愈好。
输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。
共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。
CMRR越大越好。
）
实际是有要求的。
首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电阻产生过大的影响。
其次运放的开环增益AV0要足够大。
但由于这些条件非常容易满足，因此在设计有源二阶低通滤波器时，不考虑。
但在仿真时，不同的运放对滤波器的指标还是有影响的。
4.实验的要求和目的
（1）构建有源低通滤波电路，掌握有源滤波电路的结构形式。
（2）分析有源低通滤波电路性能。
5.模拟电子电路的设计流程图
6.电路设计的一般步骤
（1）提出有源滤波器的技术指标和性能指标,他可包括在通带、阻带上的幅度要求，相位要求及其他需要的特性；
（2）寻找合适的传递函数；
（3）用实际电路实现传递函数，通常有多种电路可实现该传递函数；
（4）对所得各个电路进行各种性能分析，如容差分析，灵敏度分析；（5）选出能满足所有要求的电路；
（6）对选出的电路进行优化。
7.电路原理
采用计算法设计有源低通二阶滤波器，其电路从集成运放输出到同相输入间引入一个负反馈，该反馈使改滤波器只允许低频端的信号通过，实现低通滤波。
用查表法设计，已知电路响应特性、形式、类型及阶数、滤波器性能参数，再根据截止频率，选定电容标称值，查表求出相应电容值及电阻值，通过计算得到设计值以确定电路参数。
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
上式为二节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。
二电路的参数
1.参数的要求
电路性能参数
其通带电压放大倍数即为同相比例放大电路的放大倍数：
其传递函数：
其中：
Wo=1/RC截止角频率，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。
不同Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线
通过分析可知：
当信号频率大于截止频率时信号的衰减率只有20dB/十倍频。
而且在截止频率附近，有用信号也受到衰减。
二阶压控有源低通滤波电路衰减可以达到40dB/倍频。
而且在截止频率附近，有用信号可以得到一定提升。
如果Q=0.707时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q>0.707时,幅频特性将出现峰值。
因此，我们后面要用到巴特沃斯归一化方法设计电路图参数。
2.参数的要求
我的设计题目是二阶有源低通滤波器。
要求截止频率f0=500HZ；为了波特图能够更好的平稳，我选择Q值为0.707，选择电容器的容量，计算我选择C1=C2=100nF,则根据根式得
R1=R2=
=3K
经同相放大电路输入后计算得通带增益为
A=1+Rf/R1=1.5
3.参数的确定
以上的参数会使电压放大1.5倍，截止频率为500HZ，电压输出波形为正弦波。
三Multisim电路仿真
1.电路的仿真
2.仿真的结果
由图可见经仿真分析可得在衰减—3dB时得出的上限截止频率为501.609HZ。
与当初设计的500HZ十分接近。
二阶有源低通滤波器仿真波形图如图所示，放大倍数大约在1.2倍，与原先设计的1.5倍有较大的误差，可能与元器件的参数设计误差太大有关，需要设计更加精准的参数。
3.调试中遇到的问题及解决方法
调试中特性测量中选择“Magnitude”;Horizontal和Vertical坐标类型都选择“Log”。
如果幅频曲线的水平线没出现，可能是Vertical坐标范围中的终点F没调到合适位置，也可能是参数没选择好，可适当调整。
四实验总结
在为期一周的实验中我学到了许多在课堂上没学到的东西，通过去图书馆查找资料，根据不同的书籍了解到设计有源低通滤波电路，加强了对二阶低通滤波电路的认识和理解，对元件的选择原则和计算有了基本的了解，锻炼了动手能力，提高了对电路的分析能力，为以后实验设计打下了初步基础。
此外，我还熟悉了Multisim软件的应用。
用Multisim进行仿真分析，进一步加深了在设计有源滤波器的过程中要应对和解决的问题，学习并了解了有源滤波器的调试方法及幅频特性的测量。
通过这次课程设计，在查找资料的过程中我涉猎到很多课外知识，明白自己所学的仅仅是一些片面的，还有很多东西需要去发现和了解。
而图书馆就是我们了解这些知识的最好地方，因此在今后的学习中一定要重视图书管的利用。
五参考文献
[1]康华光电子技术基础—模拟部分高等教育出版社2006
[2]杨刚模拟电子技术基础实验电子工业出版社2003
[3]邱关源电路北京高等教育出版社2006
[4]朱彩莲Multisim电子电路仿真教程西安电子科技大学出版社2007
[5]沈明发低频电子线路实验暨南大学出版社2001
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