有源低通濾波器

引言模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是一門獨(dú)立設(shè)課、有獨(dú)立學(xué)分的實(shí)踐性課程，同“模擬電子技術(shù)”理論講授課程有密不可分的關(guān)系，起著相輔相成的作用，也是在“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化的實(shí)踐環(huán)節(jié)。其主要目的是通過(guò)本課程，培養(yǎng)、啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，進(jìn)一步理解電子系統(tǒng)的概念，掌握小型模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，掌握小型模擬系統(tǒng)的組裝和調(diào)試技術(shù)，掌握查閱有關(guān)資料的技能。基本任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)小型模擬電子系統(tǒng)。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 1\o"CurrentDocument"模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 3長(zhǎng)沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表 錯(cuò)誤！未定義書簽。\o"CurrentDocument"一電路原理及其介紹 4什么是濾波器 4什么是低通濾波器 4有源低通濾波器的運(yùn)放 4實(shí)驗(yàn)的要求和目的 5模擬電子電路的設(shè)計(jì)流程圖 5電路設(shè)計(jì)的一般步驟 5電路原理 6\o"CurrentDocument"二電路的參數(shù) 7參數(shù)的要求 7參數(shù)的要求 8參數(shù)的確定 9\o"CurrentDocument"三Multisim電路仿真 9電路的仿真 93.調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方法 11\o"CurrentDocument"四實(shí)驗(yàn)總結(jié) 11\o"CurrentDocument"五參考文獻(xiàn) 12

模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書系（部）：電子與通信工程系 專業(yè)：電子信息工程 指導(dǎo)教師:課題名稱有源低通濾波器設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、 設(shè)計(jì)一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的有源低通濾波器，通頻帶自定義；2、 運(yùn)算放大器由直流穩(wěn)壓電源供電。3、 測(cè)量設(shè)計(jì)的有源低通濾波器的幅頻特性。設(shè)計(jì)工作量1、 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)；2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真；3、 在Multisim或同類型電路設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行仿真并進(jìn)行演示；4、 提交一份完整的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，包括設(shè)計(jì)原理、仿真分析、調(diào)試過(guò)程，參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)總結(jié)等。進(jìn)度安排起止日期（或時(shí)間量）設(shè)計(jì)內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計(jì)方案論證第三天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第四天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第五天編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書指導(dǎo)老師意見年月日教研室意見年月日電路原理及其介紹什么是濾波器濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置，常用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運(yùn)放和無(wú)源元件電阻和電容構(gòu)成。它的功能是允許從零到某個(gè)截止頻率的信號(hào)無(wú)衰減地通過(guò)，而對(duì)其他頻率的信號(hào)有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來(lái)濾除高頻干擾信號(hào)。［1］但對(duì)于濾波器設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的實(shí)際選擇和調(diào)試的困難，采用普通實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法不僅解決不了上述問(wèn)題，還花費(fèi)大量時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，以至于設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，電路噪聲大等質(zhì)量問(wèn)題也不盡人意。因此，對(duì)有源低通濾波器的設(shè)計(jì)新方法探討，仍有積極的實(shí)際意義。［2］隨著集成運(yùn)放的廣泛應(yīng)用，有源濾波器的應(yīng)用更為廣泛，因此有源濾波器性能的分析和電路設(shè)計(jì)就成為一個(gè)核心問(wèn)題。什么是低通濾波器低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。電路的設(shè)計(jì)二階有源濾波器是一種信號(hào)檢測(cè)及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路，也是高階慮波器的基本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無(wú)限增益多路反饋型和雙二次型。本次課程設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型設(shè)計(jì)課題。有源低通濾波器的運(yùn)放運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運(yùn)放結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于外部電路而言，其特性都是一樣的。運(yùn)算放大器一般由4個(gè)部分組成，偏置電路，輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)，其中輸入級(jí)一般是采用差動(dòng)放大電路（抑制電源），中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的共射負(fù)載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級(jí)一般采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)電路（提高電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力）。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)包括5個(gè)，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰一峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。共模抑制比放映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。）實(shí)際是有要求的。首先運(yùn)放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對(duì)電路中的實(shí)際電阻產(chǎn)生過(guò)大的影響。其次運(yùn)放的開環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設(shè)計(jì)有源二階低通濾波器時(shí)，不考慮。但在仿真時(shí)，不同的運(yùn)放對(duì)濾波器的指標(biāo)還是有影響的。實(shí)驗(yàn)的要求和目的（1） 構(gòu)建有源低通濾波電路，掌握有源濾波電路的結(jié)構(gòu)形式。（2） 分析有源低通濾波電路性能。模擬電子電路的設(shè)計(jì)流程圖計(jì)算機(jī)模擬仿真總體電路圖繪制（1）提出有源濾波器的技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo)，他可包括在通帶、阻帶上的幅度要求，相位要求及其他需要的特性;

（2） 尋找合適的傳遞函數(shù)；（3） 用實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)，通常有多種電路可實(shí)現(xiàn)該傳遞函數(shù)；（4） 對(duì)所得各個(gè)電路進(jìn)行各種性能分析，如容差分析，靈敏度分析；（5）選出能滿足所有要求的電路；（6）對(duì)選出的電路進(jìn)行優(yōu)化。7.電路原理采用計(jì)算法設(shè)計(jì)有源低通二階濾波器，其電路從集成運(yùn)放輸出到同相輸入間引入一個(gè)負(fù)反饋，該反饋使改濾波器只允許低頻端的信號(hào)通過(guò)，實(shí)現(xiàn)低通濾波。用查表法設(shè)計(jì)，已知電路響應(yīng)特性、形式、類型及階數(shù)、濾波器性能參數(shù)，再根據(jù)截止頻率，選定電容標(biāo)稱值，查表求出相應(yīng)電容值及電阻值，通過(guò)計(jì)算得到設(shè)計(jì)值以確定電路參數(shù)。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(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率f>>f0時(shí)（f0為截止頻率），電路的每級(jí)RC電路的相移趨于-90°，兩級(jí)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(shí)通過(guò)電容c引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)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(hào)通過(guò)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。八—八—U(s)A(s)=oU(s)iA UF 1+(3-A^)sCR+(sCR)2令 A0=A^ 稱為通帶增益Q=—^稱為等效品質(zhì)因數(shù)3—AVF?=^L稱為特征角頻率cRC則A(s)=—磐一S2+nS+①2Qc上式為二節(jié)低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式注：當(dāng)3—A^>0，即、<3時(shí)濾波電路才能穩(wěn)定工作。二電路的參數(shù)參數(shù)的要求電路性能參數(shù)其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)：-L=KAaroo其傳遞函數(shù):S’+—S+OT其傳遞函數(shù):其中：Wo=1/RC 截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。3一、 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。

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C10受到衰口有源低通濾波電路的幅頻特性曲線不同JO蕓0

C10受到衰口有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過(guò)分析且在"'頻達(dá)到40dB/倍^/而口：當(dāng)信號(hào)頻率大于截止頻率時(shí)信號(hào)的衰減率只有20dB/十倍頻。而有源低通濾波電路衰減可以止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定提升。如果Q奸性最為平坦；如果Q>0.707時(shí),口：當(dāng)信號(hào)頻率大于截止頻率時(shí)信號(hào)的衰減率只有20dB/十倍頻。而有源低通濾波電路衰減可以止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定提升。如果Q奸性最為平坦；如果Q>0.707時(shí),幅頻特性將出現(xiàn)峰*1歸?化的巴特沃斯低通濾波器傳通函數(shù)的分母多項(xiàng)式II!.':'-化的巴特沃斯低通漓波器傳遞函數(shù)的分—式1sL十12邑.++1上(SL+Si+】)-&+1)4(5；+O.7653\■+ +1一歸77禺■+[)3(2+。面8。電+1)&+1面湘丸+1)(七+1)6(s；+0.51764上+1)-隊(duì)；+4isL+1)-Gj+19318S.r+1)7(5；+0.44504-;+1)(5；+1.24691±f+l)-(5；+LKOI94>+l)(sz+1)8+O.HOI%+1)0；+11II】爵+1)0；+166294"+1) +1.9615亳+1)參數(shù)的要求我的設(shè)計(jì)題目是二階有源低通濾波器。要求截止頻率f0=500HZ；為了波特圖能夠更好的平穩(wěn)，我選擇Q值為0.707,選擇電容器的容量，計(jì)算我選擇C1=C2=100nF,則根據(jù)根式得

R1=R2=1/(2fC=3K經(jīng)同相放大電路輸入后計(jì)算得通帶增益為A=1+Rf/R1=1.5參數(shù)的確定以上的參數(shù)會(huì)使電壓放大1.5倍，截止頻率為500HZ，電壓輸出波形為正弦波。三Multisim電路仿真1.電路的仿真400HwVIRTUAL400HwVIRTUAL仿真的結(jié)果由圖可見經(jīng)仿真分析可得在衰減一3dB時(shí)得出的上限截止頻率為501.609HZ。與當(dāng)初設(shè)計(jì)的500HZ十分接近。二階有源低通濾波器仿真波形圖如圖所示，放大倍數(shù)大約在1.2倍，與原先設(shè)計(jì)的1.5倍有較大的誤差，可能與元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)誤差太大有關(guān)，需要設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)的參數(shù)。調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方法調(diào)試中特性測(cè)量中選擇“Magnitude”[Horizontal和Vertical坐標(biāo)類型都選擇“Log”。如果幅頻曲線的水平線沒出現(xiàn)，可能是Vertical坐標(biāo)范圍中的終點(diǎn)F沒調(diào)到合適位置，也可能是參數(shù)沒選擇好，可適當(dāng)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)總結(jié)在為期一周的實(shí)驗(yàn)中我學(xué)到了許多在課堂上沒學(xué)到的東西，通過(guò)去圖書館查找資料，根據(jù)不同的書籍了解到設(shè)計(jì)有源低通濾波電路，加強(qiáng)了對(duì)二階低通濾波電路的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)元件的選擇原則和計(jì)算有了基本的了解，鍛煉了動(dòng)手能力，提高了對(duì)電路的分析能力，為以后實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下了初步基礎(chǔ)。此外，我還熟悉了Multisim軟件的應(yīng)用。用Multisim進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步加深了在設(shè)計(jì)有源濾波器的過(guò)程中要應(yīng)對(duì)和解決的問(wèn)題，學(xué)習(xí)并了解了有源濾波器的調(diào)試方法及幅頻特性的測(cè)量。