有源低通滤波器的课程设计四阶巴特沃斯滤波器Word文件下载.docx

1、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）：课程设计总结报告与答辩情况（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. 按照具体设计课题的技术指标和给定条件，独立进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方式正确、步骤完整；2. 查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，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

2、行电路调试，边调试边修正方案；5. 撰写课程设计报告最终的电路图、调试进程中碰到的问题和解决问题的方式。三、进度安排1时刻安排序 号内 容学时安排（天）1方案论证和系统设计2完成电路仿真，写预习报告3电路调试4写设计总结报告与答辩合 计5设计调试地点：电气楼4102执行要求课程设计共5个选题，每组不得超过2人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的详细电路（包括计算和器件选型）。严禁剽窃，严禁两篇设计报告类似。摘要滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，有源滤波器被普遍用于信息处置、数据传送等电路中。在对二阶有源低通滤波器的原理进行分析的基础上，采用2个

3、2阶低通滤波电路级联的方案，设计了基于巴特沃斯逼近的4阶有源低通滤波器。在Multisim软件中利用虚拟示波器、波特图示仪等设备，对设计的滤波器的交流特性进行仿真，并对仿真结果进行了分析，其交流特性符合理论设计，具有必然的参考价值。关键词：滤波器，有源低通，巴特沃斯，multisim Abstract Abstract：Filter is the circuit which has a selective for the frequency of signals，its function is to make a specific range offrequency throughSource

4、 filter is widely used for information processing and data transmission circuitBased on the analysis of principle of 2nd Source low passed filter，by using the Scheme of cascading two 2nd source low-passed filter and themethod of examining the table，the 4nd source low-passed filter based on Butterwor

5、th is designedBy using the oscilloscopeand Bode plotter in Multisim ，the AC Features of this Filter was Simulated，and the sim ulation results were analyzed，it SAC features met with theory design and has certain reference valueKey words: Source lowpassed filter，Butterworth，Multisim第一章 系统方案设计 滤波器介绍滤波器

6、用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率的信号通过。有源滤波器具有设计标准化、模块化、易于制造等长处，因此被普遍用于信息处置、数据传送和抑制干扰等电路中。低通滤波器分为无源和有源两种。无源滤波器是由电感、电容及电阻组成的，由于受到尺寸和实际性能的限制，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的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的基础，各类低通、高通、带通、带阻滤波器多数是按照此特性推导出来的。正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的

7、信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无穷的衰减，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）。遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性算了。按照所选的逼近函数的不同，能够取得 不同的响应。虽然逼近函数多种多样，可是考虑到实际电路的利用需求，咱们通常会选用“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的响应特性，而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性。所以具体选用何种特性，需要按照电路或系统的具体要求而定。 有源低通滤波器的设计要求设计内容设计一个有源低通滤波器。设计要

8、求要求截止频率20k赫兹。元器件 运算放大器LM324二片； 9012三极管； 9013 三极管； 电阻若干； 电容若干；考核标准 预习方案报告； 独立设计； 独立调试； 验收； 设计报告；（含PCB图、原理图）芯片介绍 LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用处合的标准运算放大器相较，它们有一些显著长处。该四放大器能够工作在低到伏或高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因此消除在许多应用处合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V

9、-”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的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图1 LM324管脚连接图有源低通滤波器的设计原理本次设计选取选取巴特沃斯滤波器。它的特点是通频带内的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。 在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而慢慢减少，趋向负无穷大。一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、 三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为

10、每倍频18分贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，而且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都维持一样的形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。巴特沃斯低通滤波器的平方幅度响应为:其中，n为滤波器的阶数，Wc为低通滤波器的截止频率。图2展示了2阶、4阶、8阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性。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的幅频特性有源低通滤波器的设计方案4阶有源低通滤波器能够由2个2阶低通滤波器级联组成，其大体电路图如图3所示。设计4阶巴特沃思低通滤

11、波器的传递函数，用2个2阶巴特沃思低通滤波器组成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，其参数知足如下条件：选取C=，可算得R=796 。4阶巴特沃思低通滤波器2个阻尼系数为：,，由此算得两个零频增益为：则传递函数为：能够选择两个2阶巴特沃斯低通滤波器级联组成。增益别离为：对于第一级，若选取R3=61K，则R4=；对于第二级，若选取R7=20K，则R4=。图3 4阶巴特沃斯低通滤波器大体电路第二章 仿真仿真电路图 按照的设计方案，选择适合的元器件，利用multisim进行仿真。仿真电路图如图4所示。图4 multisim仿真电路图 仿真结果分析瞬态特性分析 用示波器观测电路瞬态

12、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26倍；把信号频率调整到10 kHz，发觉图7中波形不仅幅值已经明显衰减，相位也发生转变，可明显看出该滤波对大于截止频率的信号有较强的抑制作用；当输入信号变成50KHz时，图8中输出信号几乎衰减为0。图6 fi=1kHz，Vi=时示波器的观察结果图7 fi=20kHz，Vi=时示波器的观察结果图8 fi=50kHz，Vi=时示波器的观察结果频率特性分析利用波特仪能够观察输入信号与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26倍，由

13、图10能够看出对应对数坐标为8219dB，减去3dB即是对应的截止频率，故在波特图仪上对应截止频率的纵坐标应是5219dB。观察图11可得，该滤波器的截止频率约为 kHz，与理论计算值相符。当频率开始出现衰减的时候，观察图12，可知开始频率约为左右；当频率调整到时，如图13所示，对应纵坐标约等于，可见该滤波器可有效衰减高频信号，具有良好的滤波特性。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31实物面包板图按如实验方案和仿真，最终连成面包板整体如图14所示。图15为滤波器部份放大模型。图14实

14、物面包板整体电路图图15实物面包板滤波器部份放大图各部份详细功能如图16所示。图16 实物面包板详细功能图32调试最终元器件阻值对安装好的电路按一下方式进行调整和测试：（1）仔细检查装好的电路，肯定元件与导线连接无误后，接通电源。（2）在电路的输入端Vi=1V的正弦信号，慢慢改变输入的信号的频率，用示波器观察输出电压的转变。在滤波器的截止频率周围，观察电路是不是具有滤波特性，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。观测其截止频率是不是知足设计要求，若不知足设计要求应按照公式，肯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的指标

15、参数产生影响。然后观测电压放大倍数是不是知足设计要求，若不达到要求，应按照有关公式调整有关的元件，使其达到设计要求。 通过测试设计值点电路板的结果，对电路板进行修正以达到设计要求。实验中利用820的电阻代替了796的电阻。61k的电阻由10和51的电阻串联而成，20的电阻用两个10的电阻串联而成。同时在测试进程中，通过调节滑动变阻器，反复观测输出波形频率转变，最终肯定了R4=，R8=。虽然与仿真结果有误差，可是实验结果知足要求。各元件阻值如图17所示。图17 最终电路各元器件阻值33 PCB制版利用altium designer进行PCB制版。绘制电路板的流程为：设计好原理图sch改变封装绘制

16、pcb板布局布线打印pcb图纸印制铜板侵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18 PCB印刷电路板正面图18 PCB印刷电路板反面第四章 结论实验仿真结果如图所示。当f=时，Vo=，如图19所示；则通过计算，截止频率时，Vo=*=。由图20可知，实验结果是超级准确的，真实截止频率即为理想截止频率20kHz。图19 fi=，Vo=时，输出波形图图20 fi=，Vo=时，输出波形图第五章 心得体会与建议这次电测课程设计，咱们通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的理论知识，查验了咱们平时的学习效果。虽然这次课程设计与实

17、际操作分析还有专门大的差距，可是它提高了咱们综合解决问题的能力，为咱们以后的学习打下了基础。通过电测课程设计，我加深了对讲义专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在这次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对示波器、滤波电路等都有了更深刻的理解。在设计的进程中，固然也碰到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，一一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培育了咱们一个踊跃的心态。当碰到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同窗讨论，以一个最踊跃的充满信心的态度，最终总会解决问题。在这次课程设计的进程中，咱们除学到了一些技术之外的其他东西,更领略到了他人

18、在处置专业技术问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种彼此协调合作的机制,最重要的仍是自己对一些问题的观点产生了良性的转变。在这种彼此协调合作的进程中,口角的斗争在所不免,关键是咱们如何的处置碰到的不合,而不是一味的计较和抱怨.这不单单是在类似于如此的协调当中,生活中的很多情形都需要咱们有如此的处置能力,面对不合大家要消除误解,彼此理解,增进了解,达到谅解。或许很多问题没有想象中的那么复杂,关键仍是看咱们的心态,那种处置和解决不合的心态,因为毕竟咱们的起点都是专门好的。课程设计也是一种学习优秀品质的进程，有位老师说得好,有有些情形的产生只是有原因的,他人能在诸如学习上取得了不一般

19、的成绩,那绝对不是侥幸或巧合,那是自己付出劳动的功效的彰显,那是自己辛苦进程的表现。这种不断上进,认真一致的心态也必将致使一个人在生活和学习的方方面面做的很完美,有位那种追求的锲而不舍的进程是相同的,这就是一种优良的品质,它将指引着一个人意气风发,更好走好自己的每一步。参考文献1刘飞,张竺君.高阶Chebyshev低通滤波器的快速设计J.黑龙江科技信息,2012,（18）:15-16. 2张白莉,郭红英.基于EWB的巴特沃斯有源低通滤波器的设计与仿真J.吉林师范大学学报：自然科学版,2011,32（4）:77-79. 3张廷尉,陈红,王磊等.基于Matlab的巴特沃斯数字低通滤波器的设计J.鞍

20、山师范学院学报,2012,14（2）:13-15. 4王建行,姚齐国.基于MATLAB的切比雪夫低通滤波器设计J.新乡学院学报：自然科学版,2011,28（6）:531-533,543. 5李钟慎.基于MATLAB设计巴特沃斯低通滤波器J.信息技术,2003,27（3）:49-50，52. 6周学军.基于Matlab的模拟滤波器设计与仿真J.现代电子技术,2010,33（8）:62-63,66. 7刘小群.基于Multisim的四阶有源低通滤波器的设计与仿真J.新技术新工艺,2011,（6）:34-36. 8雷前召.模拟低通滤波器的MATLAB实现J.湖南科技学院学报,2009,30（4）:48-49. 9李瑞杰,滕建辅,李超等.模拟跨阻低通滤波器的设计J.电路与系统学报,2012,17（2）:67-71. 10杨勇,邢磊,诸远奇等.压控电压源2n阶单位增益巴特沃斯低通滤波器优化设计J.电子学报,2011,39（8）:1894-1897. 11王滦平.900MHz巴特沃斯低通滤波器的设计J.天津通信技术，2000（4）：25-26.附录1：元器件清单 器件名称数量（个）电阻820电阻10k电阻51滑动变阻器10K1个滑动变阻器50k电容4个LM324芯片导线若干面包板1块