有源低通滤波器设计1.docx

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有源低通滤波器设计1

本科学生综合性实验报告

项目组长董颖萍学号*******

成员董颖萍0133578童霞0133579

韦薇0133570江琴0133593

谢芳娟0133594潘雅心0133584

范瑜0133582

专业电子信息工程班级131

实验项目名称有源低通滤波器设计

指导教师及职称陈滨博士

开课学期2015至2016学年第一学期

上课时间2015年10月22日

一、实验设计方案

实验名称：

有源低通滤波器设计

实验时间：

2015年11月20日

小组合作：

是●否○

小组成员：

董颖萍、童霞、韦薇、

江琴、谢芳娟、潘雅心

1、实验目的：

⑴滤波器原理及用集成运放及电容、电阻搭建低通滤波器。

⑵集成运放的特点及电容、电阻的选择。

⑶运用相关仿真软件知识，考虑使用具有优化功能的电路仿真软件。

2、实验场地及仪器、设备和材料：

⑴江西财经大学枫林园校区物华楼w-103；

⑵模拟电路实验箱，数字万用表，示波器，信号发生器，自制电路。

3、实验思路（实验内容、数据处理方法及实验步骤等）：

一、实验内容：

有源低通滤波器设计

设计要求：

（1）用集成运放（注意选择的集成运放高端截止频率要高于1MHz。

）配合电容、电阻构成一个有源低通滤波器，高端截止频率为500KHz。

（2）带外每倍频程衰减不小于20dB。

（3）扩展功能：

在上述要求的基础上，考虑带外衰减更快。

（4）先进行原理分析与方案选择，采用仿真软件进行设计。

功能实现后，在万能板或印制板上搭建实际电路并进行调试，完成一份设计报告。

二、实验电路及原理

滤波电路的作用就是允许从零某段频率范围内的信号通过，阻止或削弱其他频率范围的信号。

集成运算放大器是一种多端集成电路，具有高电压放大倍数。

当外部接入不同的线性或非线性元件组成输入和负反馈电路时，可以实现各种特定的函数关系。

采用集成运放构成的RC有源低通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。

有源低通滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，它能够在滤波的同时还能对信号起放大作用，由两个RC网络和同相比例放大器构成。

下图为设计的二阶有源低通滤波器的原理图

三、元器件以及方案的选择

因为实验要求是用集成运放配合电容、电阻构成一个低通滤波器，选择的集成运放高端截止频率要高于1MHz，高端截止频率为500KHz且带外每倍频程衰减不小于20dB。

所以我们组选择了LM6172,4个320Ω电阻，2个1000Ω电阻,1个100Ω电阻和一个220Ω的电阻，4个1nF电容。

LM6172：

四、设计电路

根据题目我们设计了电路，在Multisim中仿真如下：

由电路计算可得：

（1）第一级的通带增益

第二级的通带增益

（2）截止频率fc

特征角频率：

截止频率：

由Multisim仿真得下图：

（1）波特测试仪：

由波特图可知：

低通滤波的截止频率为545KHz，在不到1MHz的时候，信号已经衰减了20dB，故能满足带外每倍频程衰减不小于20dB，带外衰减非常快。

如果提高滤波器阶数，衰减将会更快。

（2）频率为1kHz时

分析：

图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器后的输出信号。

（2）频率为100KHz时

分析：

图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器之后的信号即输出信号，输出没有衰减，

（3）500kHz时

分析：

图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器之后的信号即输出信号，输出开始衰减

（4）600kHz时

（5）1000kHz时

分析：

图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器之后的信号即输出信号，输出衰减超过20dB.

五、焊接电路

根据题目我们设计的实物图：

正面：

反面

指导老师对实验设计方案的意见：

指导老师签名：

年月日

二、实验结果与分析

1、实验目的、场地及仪器、设备和材料、实验思路等见实验设计方案

2、实验现象、数据及结果

Ⅰ、测试方法

按照电路原理图，正确连接电路，将信号发生器的输出端接入电路板的信号输入端，再将示波器的CH1接口接电路板的信号输入端，示波器的CH2接口接电路板的信号输出端。

接通电源，如下图所示：

Ⅱ、测试结果

1当频率为1.08Hz时，如下图可看出增益为2

2频率为10.8340kHz时，如下图可看出增益约为2

3频率为108.34KHz时，如下图可看出增益约为2

4频率为547.542KHz时，如下图可看出几乎没有增益，开始衰减

5频率为818.023KHz时，如图可看出此时输出信号波形发生衰减,衰减到输入信号的三分之一

频率为1.00669MHz时，如图可看出衰减已经达到6倍。

3、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：

从示波器的输出波形可看出，输入信号频率在10kHz，100K时，显示的输出波形是输入的2倍，即增益为两倍，在频率为500kHz时，显示的波形没有增益，在频率分别为800KHz和1MHz时，信号衰减，并且随着信号发生器输入的频率逐渐增大，信号输出也逐渐衰减，而且输入频率越高衰减越快。

综上下图为输入频率和信号衰减的关系图：

4、结论：

（1）对比实验输出结果和仿真结果，当频率在500kHz以下时，电路的增益约等于2，和理论计算值相同，在500kHz左右时电路没有增益，准备衰减，达到了实验要求的截止频率值，，随着输入信号的频率逐渐增大，当频率在800KHz时，信号衰减一倍，当频率达到1MHz，信号衰减了六倍，由于信号发生器的最大输出频率为1MHz，所以无法看到信号衰减20dB时输入信号的频率，但是随着频率的继续升高，衰减越快。

实验能达到带外衰减能达到20dB每倍频程的要求。

（2）用集成运放LM6172设计二阶有源低通滤波器容易实现较高的截止频率，工作电压范围是±5.0～±15V，单位增益带宽能达到110MHz，同时也减少了自激现象，很好的实现了实验要求。

5、实验总结

此次实验成败之处及其原因分析：

成功之处：

本次实验采用的是LM6172芯片，LM6172通过Multisim仿真和实际电路的测试，本次实验完成了实验要求，高端截止频率为500kHz,带外每倍频程衰减不小于20dB,随着信号输入的增加，输出衰减更快，达到了实验目的。

失败之处：

第一次使用LM6172，在焊接电路时，将芯片的管脚焊错，导致测试电路无法输出正常的波形，电路中所有的接地端都要连在一起，减少电路输出失真问题，在实验过程中还发现实际电路中的电容值不符合，元器件自身的问题让我们很难发现问题，最终在反复测试和计算之后，换了新的元器件，之后测试电路就输出了基本符合理论和仿真结果的波形，

实验的自我评价：

（1）在实验过程中出现错误和不理想的结果是必然的，重要的是需要我们及时发现问题，分析问题和纠正错误，我们在实验过程中出现了很多问题，从选择性能好质量好的元器件以及芯片，到仿真电路，到焊接电路，再到调试电路，我们都出现了种种问题，在老师和同学的帮助下及时改正了错误，互相交流想法是很重要的，促进我们小组之间互相学习，有了一定的进步。

（2）这次设计制作，让我们对模电的电路设计又有了进一步的认识，提高了我们的动手能力和思考问题的能力，实验过程中需要耐心的去思考问题，想各种办法解决问题，对于我们是一次很好的锻炼机会，完成实验目的后很有成就感。

（3）这次实验更加突出了理论和实践结合的重要性，实际总会和理论有一定的误差，要把理论知识灵活运用到实践中，才能完成任务。

指导老师评语及得分：

签名：

年月日