绝对经典的低通滤波器设计报告

1经典无源低通滤波器的设计2团队：梦知队团结奋进，求知创新，追求卓越，放飞梦想队员：日期：2010.12.10目录第一章一阶无源RC低通滤波电路的构建....................31.1理论分析............................................31.2电路组成............................................41.3一阶无源RC低通滤波电路性能测试.....................51.3.1正弦信号源仿真与实测...............................51.3.2三角信号源仿真与实测..............................101.3.3方波信号源仿真与实测..............................15第二章二阶无源LC低通滤波电路的构建...................212.1理论分析............................................212.2电路组成...........................................222.3二阶无源LC带通滤波电路性能测试.....................232.3.1正弦信号源仿真与实测..............................232.3.2三角信号源仿真与实测.............................2832.3.3方波信号源仿真与实测.............................33第三章结论与误差分析..................................393.1结论...............................................393.2误差分析...........................................40第一章一阶无源RC低通滤波电路的构建1.1理论分析滤波器是频率选择电路，只允许输入信号中的某些频率成分通过，而阻止其他频率成分到达输出端。也就是所有的频率成分中，只是选中的部分经过滤波器到达输出端。低通滤波器是允许输入信号中较低频率的分量通过而阻止较高频率的分量。图1RC低通滤波器基本原理图当输入是直流时，输出电压等于输入电压，因为Xc无限大。当输入4频率增加时，Xc减小，也导致Vout逐渐减小，直到Xc=R。此时的频率为滤波器的特征频率fc。解出，得：在任何频率下，应用分压公式可得输出电压大小为：因为在＝时，Xc=R，特征频率下的输出电压用分压公式可以表述为：这些计算说明当Xc=R时，输出为输入的70.7%。按照定义，此时的频率称为特征频率。1.2电路组成5图2-一阶RC电路multisim仿真电路原理图图3-一阶RC实物电路原理图电路参数：C=1.0μFR1=50ΩR2=50ΩR3=20ΩR4=20ΩR5=20Ω1.3一阶无源RC滤波器电路性能测试1.3.1正弦信号仿真与实测对于一阶无源RC滤波器电路，我们用100Hz、1000Hz、10000Hz三种不同正弦频率信号检测，其仿真与实测电路图如下：6图4f=100Hz时正弦信号仿真波形图图5f=100Hz时正弦信号实测波形图7表1f=100Hz时实测结果与仿真数据对比表分析：由图4的仿真波形与图5的实测电路波形和表1中的数据可知，输入频率为100Hz的正弦信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。图6f=1000Hz时正弦信号仿真波形图数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.00019.900-0.04350.032π实测电路0.440.4400π8图7f=1000Hz时正弦信号实测图表2f=1000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路19.99714.101-3.030.25π实测电路0.380.27-2.970.248π分析：由图6的仿真波形与图7的实测电路波形和表2中的数据可知，输入频率为1000Hz的正弦信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。9图8f=10000Hz时正弦信号仿真图图9f=10000Hz时正弦信号实测图10表3f=10000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路19.9971.979-20.090.47π实测电路0.320.04-18.060.46π分析：由图8的仿真波形与图9的实测电路波形和表3中的数据可知，输入频率为10kHz的正弦信号时,由分压定理可知输入频率较大时只有极少一部分的输入电压通过电路到达输出端。仿真和实测数据间存在误差,误差值较小，在允许范围内。综合以上三种不同频率的检测分析：随着输入频率增加，电容电抗减小，由于电阻不变，而电容电抗减小，根据分压定理，电容两端的电压（输出电压）将随之减小。当输入频率增加到某一值时，电抗远小于电阻，输出电压与输入电压相比可忽略不计。这时，电路基本上完全阻止了输入信号的输出。2.2三角信号的仿真与实测对于一阶无源RC滤波器电路，我们用100Hz、1000Hz、10000Hz三种不同三角频率信号检测，其仿真与实测电路图如下：11图10f=100Hz时三角信号仿真波形图图11f=100Hz时三角信号实测波形图12表4f=100Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.00019.113-0.390.095π实测电路0.420.4200π分析：由图10的仿真波形与图11的实测电路波形和表4中的数据可知，输入频率为100Hz的三角信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。图12f=1000Hz时三角信号仿真波形图13图13f=1000Hz三角信号实测图表5f=1000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.00011.680-4.670.30π实测电路0.380.23-4.360.29π分析：由图12的仿真波形与图13的实测电路波形和表5中的数据可知，输入频率为1000Hz的三角信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。输入输出波形间有相位差，有衰减。输出波形出现圆滑曲线由于电容充放电和滤波电路滤掉了一部分谐波造成的。14图14f=10000Hz时三角信号仿真波形图图15f=10000Hz三角信号实测图15表6f=10000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.0001.556-22.20.475π实测电路0.320.003-40.560.49π分析：由图14的仿真波形与图15的实测电路波形和表6中的数据可知，输入频率为10kHz的三角信号时,由分压定理可知输入频率较大时只有极少一部分的输入电压通过电路到达输出端。仿真和实测数据间存在误差,误差值较小，在允许范围内。根据以上三个电路的分析：随着输入频率增加，电容电抗减小，由于电阻不变，而电容电抗减小，根据分压定理，电容两端的电压（输出电压）将随之减小。当输入频率增加到某一值时，电抗远小于电阻，输出电压与输入电压相比可忽略不计。这时，电路基本上完全阻止了输入信号的输出。3.3方波信号源仿真与实测对于一阶无源RC滤波器电路，我们用100Hz、1000Hz、10000Hz三种不同方波频率信号检测，其仿真与实测电路图如下：16图14f=100Hz时方波信号仿真波形图图15f=100Hz时方波信号实测波形图17表7f=10000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.00020.0000.000π实测电路0.440.440.000π分析：由图14的仿真波形与图15的实测电路波形和表7中的数据可知，输入频率为100Hz的方波信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。图16f=1000Hz时方波信号仿真波形图18图17f=1000Hz时方波信号实测图表8f=1000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.00018.318-0.760.13π实测电路0.400.37-0.6770.124π分析：由图16的仿真波形与图17的实测电路波形和表2.3-2中的数据可知，输入频率为1000Hz的方波信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。19图18f=10000Hz时方波信号仿真波形图图19f=10000Hz时方波信号实测图20表9f=10000Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V衰减/dB相位差仿真电路20.0003.009-16.450.45π实测电路0.340.06-15.060.44π分析：由图18的仿真波形与图19的实测电路波形和表9中的数据可知，输入频率为10kHz的方波信号时,由分压定理可知输入频率较大时只有极少一部分的输入电压通过电路到达输出端。仿真和实测数据间存在误差,误差值较小，在允许范围内。对以上三种不同频率的信号分析：方波信号发生畸变，是电容充放电的过程，电容两端的电压不能突变。随着输入频率增加，电容电抗减小，由于电阻不变，而电容电抗减小，根据分压定理，电容两端的电压（输出电压）将随之减小。当输入频率增加到某一值时，电抗远小于电阻，输出电压与输入电压相比可忽略不计。这时，电路基本上完全阻止了输入信号的输出。21第二章二阶无源LC低通滤波器的构建2.1理论分析模拟的一阶滤波器带外衰减是20db/十倍频，而二阶则是40db/十倍频，阶数越高带外衰减越快。可以粗略地认为阶数越高滤波效果越好，但有时可能需要折中考虑相移，稳定性等因素理想滤波器的特性难以实现，所以设计时我们大多采用按某个函数来设计，由于巴特沃斯型通带内响应最为平坦，衰减特性和相位特性都比较好，所以我们采用巴特沃斯型lc滤波器。22图20LC低通滤波器基本原理图由于LC是二阶滤波器，所以我们不用电路中复杂的数学公式来计算，用归一化的方法来求。归一化的方法如下：归一化LPF,是指特征阻抗为1Ω,且截止频率为1/（2）Hz的LPF，首先通过改变归一化LPF的原件参数值，得到一个截止频率从归一化截止频率1/（2）Hz变为待设计滤波器所要求截止频率而特征阻抗仍为归一化特征阻抗1Ω的过渡性滤波器；然后再通过改变这个过渡性滤波器的元件值，把归一化特征阻抗变为待设计的所要求的滤波器的特征阻抗的参数值。M=Hz由于实验室器件的限制，电感最大能达到500uH所以取特征阻抗为2Ω的。232.2电路组成图21二阶LC电路multisim仿真电路原理图图22实际电路图电路参数：C=100μfC=10ufC=2.2ufL=100ufL=47ufL=10ufL=5.6uf242.3二阶无源LC带通滤波电路性能测试2.3.1正弦信号源仿真与实测对于二阶无源LC滤波器电路，我们用300Hz、1000Hz、10000Hz三种不同正弦频率信号检测，其仿真与实测电路图如下：图23f=300Hz时正弦信号仿真波形图25图24f=300Hz时方波信号实测图表10f=300Hz时实测结果与仿真数据对比表数据项目输入幅值/V输出幅值/V仿真电路20.00033.212实测电路1.001.1对300Hz的正弦信号分析可知：输出比输入幅值大是因为产生了部分谐振，仿真信号不平缓是因为电容的充放电过程。但是实测时峰值没有产生仿