二階低通濾波器的設(shè)計要點

二階低通濾波器的設(shè)計要點摘要濾波器是一種使用信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，在信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等自動控制、通信及其它電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。濾波一般可分為有源濾波和無源濾波，有源濾波可以使幅頻特性比較陡峭，而無源濾波設(shè)計簡單易行，但幅頻特性不如有源濾波器，而且體積較大。二階低通濾波器可用壓控和無限增益多路反饋。采用集成運放構(gòu)成的RC有源濾波器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低，可提供一定增益，截止頻率可調(diào)等特點。壓控電壓源型二階低通濾波電路是有源濾波電路的重要一種，適合作為多級放大器的級聯(lián)。本文根據(jù)實際要求設(shè)計一種壓控電壓源型二階有源低通濾波電路，采用EDA仿真軟件MultisimlO對壓控電壓源型二階有源低通濾波電路進(jìn)行仿真分析、調(diào)試，從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵字：二階低通濾波器，multisim仿真分析，電路設(shè)計目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章課程設(shè)計任務(wù)及要求 3\o"CurrentDocument"設(shè)計任務(wù) 3\o"CurrentDocument"設(shè)計要求 3第二章系統(tǒng)設(shè)計方案選擇 4總方案設(shè)計 4\o"CurrentDocument"子框圖的作用 4\o"CurrentDocument"方案選擇 5\o"CurrentDocument"第三章系統(tǒng)組成及工作原理 6\o"CurrentDocument"有源二階壓控濾波器 6\o"CurrentDocument"無限增益多路反饋有源濾波器 7\o"CurrentDocument"第四章單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇 8\o"CurrentDocument"二階壓控低通濾波器設(shè)計及參數(shù)計算 8\o"CurrentDocument"無限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算 9\o"CurrentDocument"第五章電路組裝及調(diào)試 10\o"CurrentDocument"壓控電壓源二階低通濾波電路 10\o"CurrentDocument"無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器 11第六章總結(jié)與體會 錯誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 13\o"CurrentDocument"附錄一芯片介紹: 14\o"CurrentDocument"附錄二元件清單 15附錄三實物圖 16第一章課程設(shè)計任務(wù)及要求1.1設(shè)計任務(wù)1、學(xué)習(xí)RC有源濾波器的設(shè)計方法；2、由濾波器設(shè)計指標(biāo)計算電路元件參數(shù)；3、設(shè)計二階RC有源濾波器（低通）；4、掌握有源濾波器的測試方法；5、測量有源濾波器的幅頻特性。1.2設(shè)計要求.分別用壓控電壓源和無限增益多路反饋兩種方法設(shè)計電路.截止頻率fc=2000HZ.增益Av=2第二章系統(tǒng)設(shè)計方案選擇總方案設(shè)計方案框圖圖RC有源濾波總框圖子框圖的作用RC網(wǎng)絡(luò)的作用在電路中RC網(wǎng)絡(luò)起著濾波的作用，濾掉不需要的信號，這樣在對波形的選取上起著至關(guān)重要的作用，通常主要由電阻和電容組成。2放大器的作用電路中運用了同相輸入運放，其閉環(huán)增益RVF=1+R4/R3同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。3反饋網(wǎng)絡(luò)的作用將輸出信號的一部分或全部通過牧電路印象輸入端，稱為反饋，其中電路稱為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)分為正、負(fù)反饋。方案選擇.濾波器的選擇一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，在這點上它不如壓控電壓源型二階濾波器。.級數(shù)的選擇濾波器的級數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）3舞件的選擇一般設(shè)計濾波器時都要給定截止頻率fc（ac）帶內(nèi)增益Av,以及品質(zhì)因數(shù)Q（二階低通或高通一般為0.707）。在設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之?dāng)?shù)目，因此有許多個元件均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計者自行選定某些元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標(biāo)稱值的分檔較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照表初選電容值。表濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應(yīng)關(guān)系f(1~10)Hz(10-102)Hz(102?103)Hz(1~10)KHz(10-103)KHz(102?103)KHzC(20~10)F(10-0.1)uF(0.1?0.01)uF(104-103)pF(103-102)pF(102?10)pF第三章系統(tǒng)組成及工作原理3.1有源二階壓控濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示圖1 二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號頻率f>>f0時（f0為截止頻率），電路的每級RC電路的相移趨于-90°,兩級RC電路的移相到-180°,電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容c引到集成運放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：

A(s)=V(s)-o V(s)iA VFA(s)=V(s)-o V(s)i令8 A0=Avf 稱為通帶增益Q=稱為等效品質(zhì)因數(shù)3—AVF①=稱為特征角頻率cRC貝UA(s)= 少2c -????-?—-—????????????????????????????3.(1)3s2+——ns+32Qc注當(dāng)3-Avf>0,即Avf<3時濾波電路才能穩(wěn)定工作?；拘问綀D23.2無限增益多路反饋有源濾波器基本形式圖2在二階壓控電壓源低通濾波電路中，由于輸入信號加到集成運放的同相輸入端,同時電容C1在電路參數(shù)不合適時會產(chǎn)生自激震蕩。為了避免這一點，Aup取值應(yīng)小于3.可以考慮將輸入信號加到集成運放的反相輸入端，采取和二階壓控電壓源低通濾波電路相同的方式，引入多路反饋，構(gòu)成反相輸入的二階低通濾波電路,這樣既能提高濾波電路的性能，也能提高在f=f0附近的頻率特性幅度。由于所示電路中的運放可看成理想運放，即可認(rèn)為其增益無窮大，所以該電路叫做無限增益多路反饋低通濾波電路。CCRRAJs)=7 12AJs)=s2+一一+一+一ss2+一一+一+一s+A(s)= 4 uL 1rs2+—s+1LQL其中：s=-±,Q為品質(zhì)因數(shù)。L①c第四章單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選二階壓控低通濾波器設(shè)計及參數(shù)計算所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)該使得坐=所以根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)該使得坐=1,根據(jù)市場能買到的R4器件，則可以取R4=R3=10K，然后由中心頻率計算公 試可以取C1=C2=0,1uF可以得出電阻Rl=596.58k,R4=1.06255k.可以用2k的電位器代替，基本達(dá)到設(shè)計要求了。仿真電路圖如下所示：圖3壓控電壓源二階低通濾波無限增益多路反饋有源濾波器的設(shè)計及參數(shù)計算通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)： A=-二uoR

1濾波器的截止角頻率：3= 1 =2對cRRRCCc22312根據(jù)上述推導(dǎo)公式可得：電路設(shè)計時應(yīng)該使得C1=C2,根據(jù)市場能買到的器件，則可以取C1=C3=0.1uF，然后由中心頻率計算公式，電壓增益公式以及品質(zhì)因素的公式計算參數(shù)，依據(jù)以上三個公式，取fO=2KHz，Q=0.707,A11a少AUp=2.令R1=R2可得：R1=R2=0.22519K，r3=0.45038K,而用R1,R2用2K的電位器調(diào)節(jié)，使得其等于0.22519K即可基本達(dá)到設(shè)計要求。其仿真電路圖如下LM3-24AD..：：R4.——V-A-：rw：36m-C1-■■■/625iiF：：R5■■"——VA-：225AW：：_：：：R6：：—W\—：—225.19k￡L圖4無限增益多路反饋低通濾波電路第五章電路組裝及調(diào)試壓控電壓源二階低通濾波電路當(dāng)輸入的信號頻率小于截止頻率2000hz，其電路的增益為2.即其波形的峰峰值是兩倍無限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器其仿真電路圖如上：當(dāng)輸入的頻率是1000HZ,2000HZ, 30000JHZ的交流電源是輸出信號的波形圖分別如下：輸出與輸入的倍數(shù)關(guān)系分別是2倍，1?4倍然后是截至了，趨于0.濾波器的濾波效果已經(jīng)達(dá)到，截至頻率是2000Hz。小于2000HZ時，輸出波放大2倍。參考文獻(xiàn).童詩白華成英編《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》［M］高等教育出版社2008.彭介華編《電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計》［M］高等教育出版社2003.青木英彥（日）著周難生譯《模擬電路設(shè)計與制作》［M］科學(xué)出版社1998.王港元編《電工電子實踐指導(dǎo)》［M］江西科學(xué)技術(shù)出版社20005,徐發(fā)強等.RC二階有源濾波器的新型實驗方法［J］現(xiàn)代電子技術(shù),2008,27.勞五一.勞佳.編《模擬電子電路分析、設(shè)計與仿真》［M］清華大學(xué)出版社2003附錄一芯片介紹:產(chǎn)品型號：LM324N1.概述與特點LM324是由四個獨立的運算放大器組成的電路。它設(shè)計在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動化及光、機、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點如下：?具有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；單電源3V?30V，雙電源±1.5