36dBoct低通濾波器設(shè)計(jì)

1、生醫(yī)專業(yè)綜合設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)名稱： 36dB/oct低通濾波器 姓 名： xxx 學(xué) 號(hào): xxxx 班 級(jí)： xxxx 指導(dǎo)教師： xxx 起止日期： 2013-11-18至2013-12-15 信息工程學(xué)院制17綜 合 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書學(xué)生班級(jí)：xxx 學(xué)生姓名： xxxx 學(xué)號(hào)： xxxx 設(shè)計(jì)名稱： 36dB/oct低通濾波器 起止日期： 2013-11-18至 2013-12-15 指導(dǎo)教師： xxx 設(shè)計(jì)要求： 熟悉有關(guān)濾波器設(shè)計(jì)理論只是，選擇合適的濾波器技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，對(duì)比分析濾波前后信號(hào)的頻譜。 產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)信號(hào)，包含低頻、中頻、高頻分量，對(duì)其進(jìn)行采樣，

2、進(jìn)行頻譜分析，并設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,觀察濾波后信號(hào)的頻譜。綜 合 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容2013/11/18確定設(shè)計(jì)目的和意義并查閱資料2013/11/25完成原理圖設(shè)計(jì)及仿真，寫預(yù)習(xí)報(bào)告2013/11/29完成系統(tǒng)的制作、調(diào)試2013/12/07寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告36dB/OCT低通濾波器摘要:低通濾波器是一個(gè)通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。有源濾波器是指由放大電路及RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路，它實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)

3、數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。而設(shè)計(jì)濾波器的方法根據(jù)要求的不同主要有巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和貝塞爾逼近。本電路是36DB/OCT巴特沃斯濾波器關(guān)鍵詞:36dB/OCT； 低通濾波器； 集成運(yùn)放 36dB/OCT low-pass filterAbstract: Low pass filter is a by low frequency signal attenuation or suppress the high frequency components of signals. Ideal filter circuit should have certain amplitu

4、de frequency response in the pass band and linear phase shift, and its amplitude should be zero in the stop band. Active filter is to point to by amplifying circuit and filter circuit, composed of RC network; it is actually a kind of specific frequency response of the amplifier. The higher the order

5、 number of the filter, amplitude frequency characteristics of attenuation rate faster, but the RC network node number, the more components parameter calculation is more tedious, the more difficult the debugging of the circuit. And filter design method according to the requirements of different mainl

6、y include Butterworth, Chebyshev approximation and Bessel approximation. This circuit is 36 db/OCT Bart filtersKeyword: 36 dB/OCT, Low pass filter, Integrated operational amplifier目 錄引言4一、設(shè)計(jì)目的和意義4二、控制要求4三、設(shè)計(jì)方案論證53.1濾波器的介紹53.2濾波器的設(shè)計(jì)原理53.3方案一 二階壓控電壓源低通濾波電路63.4方案二 本次課程設(shè)計(jì)選擇方案7四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)74.1電路工作原理74.2元件選擇84.

7、3設(shè)計(jì)仿真84.3.1仿真電路圖84.3.2仿真幅值譜9五、設(shè)計(jì)結(jié)果及分析105.1電路板的設(shè)計(jì)結(jié)果105.2濾波器結(jié)果展示105.3結(jié)果分析11結(jié)束語(yǔ)13參考文獻(xiàn)14附錄一 電路原理圖仿真15附錄二 36dB/oct低通濾波器實(shí)物圖16附錄三 36dB/oct低通濾波器結(jié)果顯示17引言課程設(shè)計(jì)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。本次課程設(shè)計(jì)主要注重的是模擬電路的設(shè)計(jì)、仿真、安裝、調(diào)試、印制電路板等綜合于一體的一門課程，意在培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想方法以及思路，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析和

8、解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力。作為一名大學(xué)生不僅需要扎實(shí)的理論知識(shí)，還需要過(guò)硬的動(dòng)手能力，所以認(rèn)真做好課程設(shè)計(jì)，對(duì)提高我們的動(dòng)手能力有很大的幫助做到。一、設(shè)計(jì)目的和意義設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。低通濾波器的作用是濾去信號(hào)中的中頻和高頻成分，增強(qiáng)低頻成分。常見(jiàn)的高階濾波器的設(shè)計(jì)常常是由一階和二階的低通濾波器串聯(lián)得來(lái)，此次設(shè)計(jì)的六階低通濾波器，則是由三個(gè)二階低通濾波器串聯(lián)得來(lái)。本次實(shí)驗(yàn)主要意義是：（1）通過(guò)本次設(shè)計(jì)熟悉模擬電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；（2）熟悉低通濾波器的工作原理；（3）熟悉低通濾波器設(shè)計(jì)及應(yīng)用。二、控制要求含有有源元件并采用緩沖放大器的多級(jí)濾波器，為了獲得規(guī)定的Q值，低通濾波器的電容選用

9、不同的容量。電路器不像電阻那樣規(guī)格繁多，有些電容找不到合適的元件時(shí)，可采取兩個(gè)或幾個(gè)電容并聯(lián)的辦法解決。本電路中因各級(jí)的電容器取相同的容量，所以就不能把反饋放大器作為緩沖器，而是使其具有1以上的放大倍數(shù)，便可獲得規(guī)定的Q值1。三、設(shè)計(jì)方案論證3.1濾波器的介紹濾波器是一種能使有用信號(hào)通過(guò)，濾除信號(hào)中的無(wú)用頻率，即抑制無(wú)用信號(hào)的電子裝置。有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個(gè)通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實(shí)際濾波器不能達(dá)到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，本文主要著眼于幅頻響應(yīng)

10、，而不考慮相頻響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成。對(duì)于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由n/2節(jié)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由(n-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級(jí)聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)2。3.2濾波器的設(shè)計(jì)原理常見(jiàn)的高階濾波器的設(shè)計(jì)常常是由一階和二階的低通濾波器串聯(lián)得來(lái)，此次設(shè)計(jì)的六階低通濾波器，則是由三個(gè)二階低通濾波器串聯(lián)得來(lái)。而濾波器的設(shè)計(jì)由于對(duì)相頻和幅頻的要求不同主要

11、有三種設(shè)計(jì)方式巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和貝塞爾逼近。這次的設(shè)計(jì)選擇了保持幅頻特性單調(diào)變化的前提下，通帶內(nèi)特性最為平坦的巴特沃斯逼近。其幅頻特性為： （3-1）其中n為網(wǎng)絡(luò)階數(shù)，為轉(zhuǎn)折頻率。n階巴特沃斯3低通濾波器的傳遞函數(shù)可由下式確定： （3-2）式中 （3-3）本電路圖為一個(gè)六階低通濾波器，則由上式可知有三個(gè)增益為二階的低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成。為了更為明確的看到低通濾波的效果，現(xiàn)在六階低通濾波器的前面加一個(gè)加法器的輸入3.3方案一 二階壓控電壓源低通濾波電路將簡(jiǎn)單的二階低通濾波電路（圖3.1）中接地的電容C1端該接到集成運(yùn)放的輸出端，便得到壓控電壓源二階低通濾波電路，如圖3.1所示。電路中既引

12、入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)，由于C1的電抗趨于無(wú)窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)，由于C2的電抗趨于零，因而Up(s)趨于零。所以，只要正反饋引入得當(dāng)，就既可能在f=f0時(shí)使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會(huì)因正反饋過(guò)強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。同相輸入端電位控制由集成運(yùn)放和R1、R2組成的電壓源，故稱壓控電壓源濾波電路4。 圖3.1 壓控電壓源低通濾波器原理圖3.4方案二 本次課程設(shè)計(jì)選擇方案 采用相同參數(shù)的便于多級(jí)設(shè)計(jì)的36dB/oct低通濾波器（LPF）。這種濾波器由三級(jí)（A2、A3和A4）構(gòu)成。每級(jí)中有兩節(jié)（R0和C0）濾波器（12dB/oct）。為了在-3dB點(diǎn)使頻率

13、特性規(guī)格化，必須將其Q值分別調(diào)到0.517、0.707和1.931.采用增益來(lái)提高Q值時(shí)，可按增益An=3-（1/Qn）(n為級(jí)數(shù)，即為1,2,3)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的增益分別為1.068、1.586和2.482。反饋電阻（R6、R8和R10）可根據(jù)Rn=（An-1）*10*103進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的數(shù)值如圖3.2所示。輸入級(jí)（A1）的衰減為1/4.2?？筛鶕?jù)截止頻率fc=1/（2C0R0）計(jì)算出圖中的C0和R0的值。圖3.2 36dB/oct低通濾波器四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1電路工作原理36DB/OCT巴特沃斯濾波器由3級(jí)構(gòu)成，每級(jí)方框中有兩節(jié)濾波器，為了在-3DB點(diǎn)使頻率特性規(guī)格化，必須把各級(jí)的Q值分

14、別調(diào)整到0.517、0.707.1.931。采用有增益放大器以增加Q值的方式時(shí)，根據(jù)An=3-1Qn（n為級(jí)數(shù)，1，2，3），計(jì)算所需的增益An。OP放大器A2A4的增益由反饋電阻確定，An確定后。Rn可用下式計(jì)算：R4 =（An-1）*10*103，計(jì)算結(jié)果如電路圖中的參數(shù)。這里應(yīng)該注意的是：通事增益A=A1 *A2*A3，即總增益為4.2倍，所以輸入放大器A1應(yīng)為1/4.2的衰減電路，以使A=1。如果不這樣，輸入增大時(shí)，濾波器飽和后會(huì)有很多高次諧波，濾波器不能完全濾除。輸入電路對(duì)反相、同相或差動(dòng)任何一種輸入信號(hào)均可適應(yīng)。差動(dòng)放大電路的放大倍數(shù)由R1、R2和R3、R4之間的比值確定（A=R3

15、/R1。R1=R2，R3=R4，所以R3和R4的值取100K/4.2=23.8K，用22K和1.8K的電阻串聯(lián)而成）。截止頻率應(yīng)用人們熟悉的f0=1/2C0.R0公式計(jì)算。R0作為OP放大器的負(fù)載，不能太重，應(yīng)取5K以上，同時(shí)考慮到輸入電容和寄生電容的影響，在選用數(shù)百個(gè)歐姆以下的阻值時(shí)。選定R0須保證C0的電容量在數(shù)百微微法以下。如果沒(méi)有特殊制約，可先選定C0的電容量，使C0的電抗在10100K范圍內(nèi)。圖4.1 36dB/oct低通濾波器本次電路R0值為10k，C0值為0.14.2元件選擇一般電容器的誤差大多為5%，不能滿足有源濾波器的使用要求，可先挑選出電容量適合的電容器，根據(jù)其容量反算出R

16、0阻值，然后再進(jìn)行修正。但是，目前存在著縮短調(diào)節(jié)時(shí)間的趨勢(shì)，所以應(yīng)選用%誤差的產(chǎn)品，以便宜實(shí)現(xiàn)無(wú)調(diào)節(jié)化。本電路的特點(diǎn)是各級(jí)的R0和C0全部相同，但必須準(zhǔn)確地設(shè)定各級(jí)的Q值，根據(jù)Q值確定電路，電阻應(yīng)選用精度好的產(chǎn)品。4.3設(shè)計(jì)仿真4.3.1仿真電路圖 如圖4.3.1所示,按照設(shè)計(jì)的電路工作原理圖和電路圖形，選擇運(yùn)放OP07和相應(yīng)個(gè)數(shù)的電阻和電容，按照計(jì)算值更改相應(yīng)的參數(shù)大小。找出信號(hào)發(fā)生器和示波器按照信號(hào)的輸入輸出接線。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器、示波器、波特圖示儀已達(dá)到相應(yīng)的輸出結(jié)果。圖4.3.1 仿真電路圖4.3.2仿真幅值譜調(diào)節(jié)輸入輸出的大小，和衰減的大小，得到如圖4.3.2的通頻帶內(nèi)的仿真幅值圖，由

17、圖可以看到巴特沃斯逼近的基本原則是在保持幅頻特性單調(diào)變化的前提下，通帶內(nèi)特性最為平坦。在通頻帶內(nèi)為36dB，調(diào)整到衰減3dB的地方，得到其截止頻率為158Hz，如圖所示。圖4.3.2 仿真幅值譜，通頻帶內(nèi)五、設(shè)計(jì)結(jié)果及分析5.1電路板的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5.1所示為電路板的實(shí)物圖，由于在實(shí)物器件中不能找到與計(jì)算值完全相同的電阻。所以制作出來(lái)的電路圖不能像仿真那樣的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，所以制作電路板時(shí)需要對(duì)電阻的大小進(jìn)行調(diào)整，已達(dá)到最為接近的結(jié)果。由實(shí)物調(diào)整最終電阻的大小為R10由兩個(gè)電阻串聯(lián)而成,結(jié)果較原電路大一點(diǎn)，其他電阻電容保持與仿真相同大小。在測(cè)試的過(guò)程中調(diào)節(jié)電阻和電容的大小使得其達(dá)到所需的效果圖5.1

18、 36dB/oct低通濾波器實(shí)物圖5.2濾波器結(jié)果展示根據(jù)實(shí)物電路板接通電源進(jìn)行調(diào)試。在電源上輸入為3.3V的正弦小信號(hào)時(shí)，輸入頻率為60Hz是，由示波器顯示結(jié)果如圖5.2.1所示：圖5.2.1 輸入60Hz時(shí)示波器顯示而調(diào)節(jié)輸入頻率大小，當(dāng)輸入頻率為330Hz時(shí)，示波器顯示結(jié)果如圖5.2.2所示：圖5.2.2 輸入330Hz時(shí)示波器顯示5.3結(jié)果分析按照電路圖焊接好電路、確認(rèn)元件與導(dǎo)線之間的鏈接沒(méi)有問(wèn)題，接通電源進(jìn)行調(diào)試。在電路的輸入端加載US=3.3V的正弦信號(hào)，輸出端與示波器的輸入端相連接，按示波器的Measure鍵，可以看到相應(yīng)的數(shù)值顯示，緩慢改變輸入信號(hào)的頻率，觀察示波器上的數(shù)值變化

19、，判斷增益是否達(dá)到要求。若沒(méi)有達(dá)到要求，則根據(jù)原理圖改變電阻的大小以確保電路增益能夠合格。在調(diào)試過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題：（1）截止頻率不能夠達(dá)到160Hz，主要是電阻沒(méi)有準(zhǔn)確的造成最后一級(jí)電阻較大因此有些偏差；（2）放大倍數(shù)不足，這是個(gè)很常見(jiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)改變R的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。誤差原因分析：（1）元件的阻值與實(shí)際電阻有誤差，得到的記過(guò)與理論計(jì)算不同；（2）焊接時(shí)對(duì)于見(jiàn)有一定的影響；（3）焊接點(diǎn)與線也有一定的誤差。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)此次的課設(shè)，我學(xué)到了很多知識(shí)，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學(xué)的體制束縛，在論文的寫作過(guò)程中，通過(guò)查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動(dòng)手能力。并且由原先的被動(dòng)的接受知識(shí)轉(zhuǎn)換為主

20、動(dòng)的尋求知識(shí)，這可以說(shuō)是學(xué)習(xí)方法上的一個(gè)很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會(huì)記住很多的書本知識(shí)，但是通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了如何將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會(huì)了怎么更好的處理知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的問(wèn)題。在論文的寫作過(guò)程中也學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問(wèn)要一絲不茍，對(duì)于出現(xiàn)的任何問(wèn)題和偏差都不要輕視，要通過(guò)正確的途徑去解決，在做事情的過(guò)程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以找到思路去解決問(wèn)題的。在工作中要學(xué)會(huì)與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽(tīng)取別人的意見(jiàn)，這樣做起事情來(lái)就可以事倍功半。在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中，理論知識(shí)很重要，理論知識(shí)決定了設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)電路的成敗。所以需要查找很多資料，需要足夠的耐心