模电课设滤波器

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目:二阶有源滤波器电路设计初始条件：具备模拟电子电路的理论知识，具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务:1、设计二阶低通滤波器，要求截止频率1KHZ2、设计二阶高通滤波器，要求截止频率100HZ3、设计二阶带通滤波器，要求中心频率1KHZ4、通带电压放大倍数均为10，品质因素为0.7075、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书6、设计电源7、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书目录摘要....................................................................І1.方案选择与论证.......................................................11.1方案框图.........................................................11.1.1RC网络.....................................................11.1.2放大器.....................................................11.1.3反馈网络...................................................21.2方案设计与论证...................................................21.2.1方案设计...................................................21.2.2方案选择...................................................51.2.3元器件选择.................................................62.单元电路设计与元件参数计算...........................................72.1传递函数.........................................................72.2低通滤波器[1].....................................................82.3高通滤波器[2].....................................................92.4带通滤波器[2]....................................................103.电路仿真分析........................................................103.1低通滤波器......................................................103.2高通滤波器......................................................113.3带通滤波器......................................................124.直流稳压电源设计与实物焊接...........................................135.总结.................................................................15武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书6.附录一参考文献......................................................15武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书І二阶有源滤波器电路设计摘要随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用范围极广，具有较强实践性的技术基础课程。电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革，为了培养学生的动手能力，更好的将理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器的原理以及结构的理解，设计出低通、高通、带通等多种形式的滤波器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的元件，焊接出具体的实物，并在实验室对实物进行调试，观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。关键词：滤波器设计与制作分析武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书11.方案选择与论证1.1方案框图RC有源滤波器主要由三部分组成：RC网络、运算放大器和反馈网络，如图1所示。图1RC有源滤波器设计框图1.1.1RC网络RC网络主要由电阻R和电容C元件构成，作为滤波器的选频网络，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。主要构成形式为RC串联，RC并联及RC串并联。在调节RC参数的过程时，可实现频率谐振，从而达到频率的选择作用。1.1.2放大器集成运算放大器的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又很低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。由于运算放大器可加电压串联负反馈，可在输入与输出之间进行很好的隔离。这样可以通过级联的形式得到高阶的滤波器，可在滤波的同时实现信号放大。但是，集成运算放大器的带宽有限，所以有源滤波器的最高工作频率受运算放大器的限制。[4]RC网络反馈网络放大器输入输出武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书21.1.3反馈网络在电子系统中，反馈是指把输出量（电压或电流）的全部或一部分按照一定的方式送回到输入回路，从而影响输入量(电压或电流)和输出量的过程。本次设计主要采用负反馈。1.2方案设计与论证1.2.1方案设计方案一：有源一阶RC滤波器在无源一阶RC滤波器后的输出端连接一个电压跟随器，可以构成有源一阶滤波器。由于电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，电压跟随器的加入使RC低通滤波器与负载隔离，增强电路的带负载能力。若无运算放大器隔离，则滤波器参数将受负载影响。[1]如果希望电路不仅有滤波功能，而且能起放大作用，则只要将电路中的电压跟随器改为同相比列放大电路即可。下面以有源一阶RC低通滤波器为例说明。图2一阶有源低通滤波器电路及其幅频响应武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书3由电路计算可得该电路的传递函数为HsA1sA0）（(1)由式（1）可得如图2所示电路的幅频响应特性曲线，式中A0=AVF，ωH指增益下降3dB时的截止频率。但该一阶滤波器频率特性并没有理想特性，即陡直下降。一阶滤波器的缺点是：从幅频特性来看，一阶滤波器的效果还不够好，它只有20dB/十倍频的衰减率，若要衰减率下降的更快，如40dB/十倍频、60dB/十倍频的斜率变化，则需采用二阶、三阶滤波器。一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好。方案二：简单二阶有源滤波器为了使输出电压在带外以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一阶RC滤波环节，构成有源二阶滤波电路，它比一阶滤波器的滤波效果更好。图3单二阶低通滤波器武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书4图3所示为简单二阶低通滤波器电路。它由二阶RC滤波器和同相放大放大电路组成，其中同相放大电路实际上就是所谓的电压控制电压源，它的电压增益，就是低通滤波的通带电压增益，此时各电容器可视为开路，即RRAA1fVF01.电路的幅频特性曲线如图4所示。图4二阶LPF的幅频特性曲线由电路可求得有源二阶低通滤波器的传递函数为)(AAA200VsRC-31ssRC）（）（在频率超过截止频率后，幅频特性以-40dB/十倍频的速率下降，比一阶下降得快。方案三：有源二阶压控型RC滤波器以有源二阶压控型低通滤波器为例说明，图5为其电路图。图5有源二阶压控型低通滤波器武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书5其中的一个电容器C2在方案二中是接地的，现在改接到输出端，形成集成运算放大器的正反馈。对于这个反馈，左边的电容C2使相位超前，右边的电容C1使相位滞后。只要参数选得合适，可使整个电路在f0附近既带有正反馈而又不造成自激震荡。这样，就可使滤波器在f=f0附近的电压增益提高，使f=f0附近的对数幅频特性接近理想水平。该电路的传递函数为）（）（）（fffAA0-fQ1j1s200V图6为有源二阶压控型低通滤波电路幅频响应特性曲线。图6有源二阶压控型低通滤波电路幅频响应特性曲线1.2.2方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器应在要求的频（通内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书6三种方案中，一阶滤波器滤波效果不够好，衰减率下降不够快；简单二阶滤波器在通带截止频率之间下降还不够快，为了加快滤波器在通带截止频率之间幅频特性下降速率，故而选择方案三中的有源二阶压控型RC滤波器。1.2.3元器件选择本次使用普通的LM324。管脚图以及内部结构如图7所示。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照图8初选电容值。具体电阻、电容的选择根据计算结果参见图9图7LM324管脚图及其内部结构图武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书7图8工作频率范围选定电容值图9电容电阻选择2.单元电路设计与元件参数计算2.1传递函数在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是RC元件的组合。在分析时可通过“拉普拉斯变换”将电流和电压变换成“象函数”，同时引入运算阻抗代替无源元件RC，求解有源滤波器的传递函数。在此我们关心频率，输入信号可以分解成若干频率信号；输出信号可以分解成若干频率信号。图10为二阶武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书8RC滤波器的传输函数表。图10为二阶RC滤波器的传输函数表类型传输函数性能参数低通——电压增益——低、高通滤波器的截止角频率——带通滤波器的中心角频率BW——带通滤波器的带宽高通带通2.2低通滤波器[1]图11低通滤波器二阶低通滤波器的通带增益截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书9低通滤波器的截止频率为1kHz，根据图9可知电容容值应选0.1uF，0.2uF。又因为Auo=1+R4/R3，Wc=2πfcWc/Q=1/R1C1+1/R2C1+(1-Auo)/R2C2为使电路稳定，又有R1+R2=R3//R4将fc=1KHZAv=10Q=0.707带入计算R1=462Ω，R2=2.742KΩ，R3=3.56KΩ，R4=32KΩ剩余两种滤波器的元件参数计算均