有源低通濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁 共 14 頁 課程設(shè)計(jì)(論文)說明書題 目： 有源低通濾波器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 2010年 12 月 19 日摘 要低通濾波器是一個(gè)通過低頻信號(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)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。根據(jù)指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)選用二

2、階有源低通濾波器。關(guān)鍵詞：低通濾波器；集成運(yùn)放UA741； RC網(wǎng)絡(luò)AbstractLow-pass filter is a component which can only pass the low frequency signal and attenuation or inhibit the high frequency signal . Ideal frequency response of the filter circuit in the pass band should have a certain amplitude and linear phase shift, and amp

3、litude of the resistance band to be zero. Active filter is composed of the RC network and the amplifier, it actually has a specific frequency response of the amplifier. Higher the order of the filter, the rate of amplitude-frequency characteristic decay faster, but more the number of RC network sect

4、ion, the more complicated calculation of device parameters, circuit debugging more difficult. According to indicators ，second-order active low-pass filter is used in this design .Key words：Low-pass filter； Integrated operational amplifier UA741； RC network,目 錄引言.31 電路原理及設(shè)計(jì)方案.3 1.1 濾波器的介紹31.2 有源濾波器的設(shè)

5、計(jì).31.3 設(shè)計(jì)方案52 芯片介紹.62.1 運(yùn)放UA741.63 multisim7輔助仿真及修正.74 制板及調(diào)試.84.1 DXP注意事項(xiàng).84.2 制作pcb板的流程.84.3 注意事項(xiàng).84.4 調(diào)試.84.5 測(cè)試結(jié)果和幅頻圖分析.9課設(shè)總結(jié).10謝辭.12參考文獻(xiàn).13附錄.14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)主要注重的是電子電路的設(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

6、經(jīng)驗(yàn)，分析和解決工程技術(shù)問題的能力。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。本次課設(shè)介于采用butterworth快速設(shè)計(jì)，采用查表法結(jié)合仿真，做板聯(lián)合實(shí)際調(diào)節(jié)。1 電路原理及設(shè)計(jì)方案1.1濾波器的介紹濾波器是一種能使有用信號(hào)通過，濾除信號(hào)中的無用頻率，即抑制無用信號(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，

7、本文主要著眼于幅頻響應(yīng)，而不考慮相頻響應(yīng)。一般來說，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)。1.2 有源濾波器的設(shè)計(jì)有源濾波器的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)所給定的指標(biāo)要求，確定濾波器的階數(shù)n，選擇具體的電路形式，算出電路中各元件的具體數(shù)值，安裝電路和調(diào)試，使設(shè)計(jì)的濾波器滿

8、足指標(biāo)要求，具體步驟如下：（1）根據(jù)阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數(shù)n。（2）選擇具體的電路形式。（3）根據(jù)電路的傳遞函數(shù)和歸一化濾波器傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式，建立起系數(shù)的方程組。（4）解方程組求出電路中元件的具體數(shù)值。（5）安裝電路并進(jìn)行調(diào)試，使電路的性能滿足指標(biāo)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選擇巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是通帶到阻帶衰減較慢。選擇二階有源低通濾波器電路，即n=2。有源2階低通濾波器電路如圖1.1所示，壓控電壓源二階濾波器電路的特點(diǎn)是：運(yùn)算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定，增

9、益容易調(diào)整。圖1.1 有源低通濾波器電路圖在集成運(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ffc時(shí)（fc 為截止頻率），電路的每級(jí)RC 電路的相移趨于-90º，兩級(jí)RC 電路的移相到-180º，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過電容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。巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性為： ， n=1，2，3，. . . Butterworth的二階歸一化傳遞函數(shù)為：H（s）

10、=1/(s*s+1.414*s+1)；它的化歸一化傳遞函數(shù)可以表示成兩個(gè)多項(xiàng)式的比: A(s) （21）其中Auo為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，wC為截止角頻率，Q為品質(zhì)因子。從（1）式中可知，當(dāng)w=0時(shí)，（1）式有最大值1；w=wC時(shí)，（1）式等于0.707，即Au衰減了3dB； ； （22）Av=1+R4/R3； （23）1.3 設(shè)計(jì)方案電路元器件值A(chǔ)v12468R11.422 1.1260.8240.6170.521R25.3992.2501.5372.0512.429R3開路6.7523.1483.2033.372R406.7529.44416.01323.602C10.33CC2C2C2C

11、注：電阻為參數(shù)k=1 時(shí)的值，單位為k取Av=1，根據(jù)公式（23），選擇R3，R40；為了得到相對(duì)應(yīng)的電阻值，需要算出K值，用K值乘以相應(yīng)的R得到R；而K=100/(fc*C) （24）注釋：C以u(píng)f作為單位，fc以hz為單位。K值不能太大，否則會(huì)使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常選擇1 K10.本次課程設(shè)計(jì)我們?nèi)=1，由公式（24）及表1中Av=1得fc=3000hz，C33.33nF，C111nF。取標(biāo)準(zhǔn)值為C=33nF，C1=11nF；R1=1.422*1=1.422取R1為1.4K，R2=5.399*1=5.399取R1為5.4k，R3=0，R4；驗(yàn)證：由，代入數(shù)據(jù)，R1=

12、1.422k,R2=5.399k，C=33.33nF，C1=11nF，算出fc=3001.6Hz，符合要求。代入設(shè)計(jì)值得到的簡(jiǎn)化電路圖1.2圖1.22 芯片介紹2.1 UA741集成運(yùn)放圖2.1 UA741管腳圖UA741管腳圖為圖2.1。UA741芯片是高增益運(yùn)算放大器，常用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作。第2管腳是負(fù)輸入端；第3管腳是同相端輸入端；第4和第7管腳分別為負(fù)直流源和正直流源輸入端；第6管腳為輸出端；第8管腳是懸空端；第1管腳和第5管腳是為提高運(yùn)算精度。在運(yùn)算前，應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。當(dāng)運(yùn)放有外接

13、調(diào)零端子時(shí)，可按組件要求接入調(diào)零電位器，調(diào)零時(shí)，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓Uo，細(xì)心調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使Uo為零（即失調(diào)電壓為零）。如果一個(gè)運(yùn)放如不能調(diào)零，大致有如下原因：（1）組件正常，接線有錯(cuò)誤。（2） 組件正常，但負(fù)反饋不夠強(qiáng)，為此可將其短路，觀察是否能調(diào)零。（3）組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，則屬于這種情況。（4）組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行消振。（5）組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的集成塊。3 multisim輔助設(shè)計(jì)及修正由于元器店沒有11nf的電容賣，所以用10n

14、f的代替，相應(yīng)的電阻也改變通過multisim仿真軟件對(duì)上述電路進(jìn)一步修正，修正的結(jié)果為圖3.1：圖3.1 multisim仿真電路圖其頻域仿真結(jié)果為圖3.2：圖3.2 multisim仿真得到的頻域圖上圖所示，仿真出來的效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4 制板及調(diào)試4.1 DXP注意事項(xiàng)電路繪制的時(shí)候主要是注意各個(gè)元器件的封裝和實(shí)際買回來的元器件的管腳大小及距離相對(duì)應(yīng)，并有選擇地采用排針作為信號(hào)的輸入以及輸出和直流電源的輸入。元器件采用手動(dòng)布局。布線采用手動(dòng)布局，布線時(shí)需要設(shè)計(jì)好參數(shù)。一般線條大小為1mm，過孔為1mm，焊盤為1.8mm。電路板的長(zhǎng)寬為：32mm×42mm。實(shí)際板子大小為：40m

15、m×62mm繪制好的pcb的sch電路圖看附錄。Pcb板請(qǐng)看附錄圖2.4.2 制作pcb板的流程設(shè)計(jì)好原理圖sch改變封裝繪制pcb板布局布線打印pcb圖紙印制銅板腐蝕銅板鉆孔焊接元器件測(cè)板修改電路測(cè)試（直到符合設(shè)計(jì)要求）。4.3 注意事項(xiàng)（1）電阻的標(biāo)稱值應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)值，這可以適當(dāng)選用幾個(gè)電阻串并聯(lián)；盡可能采用金屬膜電阻電容及容差小于10%的電容，影響濾波器性能的主要因素是 R/R、C/C及運(yùn)放的功能。（2）在測(cè)試過程中，若某項(xiàng)指標(biāo)偏差較大，則根據(jù)設(shè)計(jì)表調(diào)整修正相應(yīng)元器件的值。（3）制作板子過程中，為了節(jié)省材料，節(jié)約資源，盡量用最少的東西完成最佳的功能。所以板子元器件布局緊密。

16、而提高抗干擾能力，布線時(shí)盡量短，少。焊盤過孔設(shè)計(jì)合理。4.4 調(diào)試對(duì)安裝好的電路按一下方法進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試：（1） 仔細(xì)檢查裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，接通電源。（2） 在電路的輸入端Vi=1V的正弦信號(hào)，慢慢改變輸入的信號(hào)的頻率，用示波器觀察輸出電壓的變化。在濾波器的截止頻率附近，觀察電路是否具有濾波特性，若沒有濾波特性，應(yīng)檢查電路，找出故障原因并排除之。（3） 若電路具有濾波特性，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試。觀測(cè)其截止頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求應(yīng)根據(jù)公式，確定應(yīng)調(diào)整哪個(gè)元件才能使截止頻率既能達(dá)到設(shè)計(jì)要求又不會(huì)對(duì)其它的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響。然后觀測(cè)電壓放大倍數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不達(dá)到

17、要求，應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式調(diào)整有關(guān)的元件，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過測(cè)試設(shè)計(jì)值點(diǎn)電路板的結(jié)果，對(duì)電路板進(jìn)行修正以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)指標(biāo)：fc=3khz，增益為Av=1。輸入信號(hào)Vi=1V，觀察濾波器的截止頻率fc及電壓放大倍數(shù)Av。按要求理論測(cè)試結(jié)果應(yīng)為：在相對(duì)低頻時(shí)，如fc=100Hz，電壓放大倍數(shù)為1；在fc=3khz時(shí)，Av=0.707。4.5 測(cè)試結(jié)果和幅頻圖分析測(cè)試結(jié)果顯示fc=2.1khz，不符合截止頻率為3khz的要求。經(jīng)過多次分析，認(rèn)為理論的設(shè)計(jì)的方法和實(shí)際的不符。并由 得知，假如實(shí)際的截止頻率比所要求的截止頻率小，則要求把電阻或者電容減小；假如實(shí)際的截止頻率比要求的大，則要求把電阻或者

18、電容增大。由于測(cè)試的截止頻率比設(shè)計(jì)要求的低，所以要提高它的截止頻率。假定電容不變了，則電阻值RWcfc和RWcfc；可以判定原來的電路的電阻值過大。介于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不足，調(diào)試了好久，但是還是沒有滿足要求。后來用兩個(gè)滑動(dòng)變阻器替換兩個(gè)電阻，逐步調(diào)試，結(jié)果當(dāng)R2=1k，R1=2.7k時(shí)滿足要求。即R2=1k，R1=2.7k，C=33nf，C1=10nf，做出上述的改變之后各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求基本達(dá)標(biāo)。電路測(cè)試得到的輸出電壓和頻率Vofc關(guān)系表1：表1fc/khz，Vo/Vfc0.10.40.60.810.1.21.41.61.82.02.22.4Vo110.9880.9860.9460.9240.9080.8

19、900.8640.8440.8140.79fc2.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8Vo0.7580.7300.7080.6720.6420.6180.5860.5580.5360.5100.4920.476fc55.45.86.26.677.58.0Vo0.4440.4080.3760.3400.3120.30.2580.236它的頻率特性曲線為圖4.1：圖4.1 頻率特性曲線圖通過上圖可知，在輸入頻率為3khz之前，輸出的電壓值大于0.708V，即在低頻段時(shí)Q值大于0.707，衰減速率符合設(shè)計(jì)要求。在輸入頻率為3khz時(shí)，衰減因子Q為0.707左右。課設(shè)總

20、結(jié)利用公式法設(shè)計(jì)有源二階低通濾波器，要求解多元高階方程組；若采用查表法求解電路參數(shù)，就簡(jiǎn)單得多。因此應(yīng)盡量采用查表法求解電路參數(shù)，以減少電路運(yùn)算復(fù)雜程度。雖然可能誤差很大，但是能夠帶來很大的方便。初學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)盡量能快速找到解決問題，培養(yǎng)解決問題的能力，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過此次的課設(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，在論文的寫作過程中，通過查資料和搜集有關(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)換為主動(dòng)的尋求知識(shí)，這可以說是學(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)合的問題。在論文的寫作過程中也學(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)問要一絲不茍，對(duì)于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過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題的。在工作中要學(xué)會(huì)與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。在設(shè)計(jì)電路過程中，理論知識(shí)很重要，