有源二階低通濾波器

1、四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計(jì)報(bào)告 成績(jī)： 分電子工程系課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 書課程設(shè)計(jì)名稱電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目有源二階低通濾波器學(xué) 生 姓 名高浩寶專 業(yè)電子信息工程班 級(jí)2007QQ446191090日期： 2009 年 6 月 日摘要:本文主要介紹了二階壓控電壓源低通濾波器, 低通濾波器是一種典型的選頻電路，在給定的頻段內(nèi)，理論上它能讓信號(hào)無衰減地通過電路，這一段稱為通帶外的其他信號(hào)將受到很大的衰減，具有很大衰減的頻段稱為阻帶，通帶與阻帶的交界頻率稱為截止頻率，對(duì)濾波器的基本要求是：（1）通帶內(nèi)信號(hào)的衰減要小，阻帶內(nèi)信號(hào)的衰減要大，由通帶過渡到阻帶的衰減特性陡直上升；（2）通

2、帶內(nèi)的特性阻抗要恒為常數(shù)，以便于阻抗匹配。本濾波器主要用于限制信號(hào)于一定頻率內(nèi)通過.主要芯片為UA741運(yùn)放器.在制作過程中運(yùn)用到了protel,EWB等軟件,用來制作電路板和設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算等.關(guān)鍵字: 低通;UA741;濾波; 截止頻率；Abstract:The lowpass filter one selecting circuit frequently typical, give the frequency band definitely, in theory it make signal is it decay to have through circuit, the called o

3、utside of the bandpass other signal receive heavy decay very, very great frequency band that decays is called and hindered bringing, the bandpass and bounded frequency of hindering the area are called and closed at frequency, the basic demand of the wave filter is: (1) Bandpass decay of signal light

4、, hinder with interior signal heavy decay , carry out the transition to from bandpass decay brought to hinder characteristic steep to rise direct; (2)It is a constant that the characteristic in the bandpass is permanent in impedance, so that impedance is matched. This article introduced the active l

5、ow pass filter,This filter mainly use in the clipped wave passing in the certainfrequencyThe main chip is UA741 transports putting。Key words:low pass;UA741;Filter;Stops-frequency 目 錄前言11. 總體設(shè)計(jì)方案21.1 有源二階低通濾波器方案21.2 濾波器方案設(shè)計(jì)21.3有源二階低通濾波器電路圖52. 單元模塊設(shè)計(jì)32.1 濾波器電路設(shè)計(jì)62.1.1 有源二階低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)62.1.2 濾波電路分析62.1.3 電

6、路傳遞函數(shù)數(shù)和特性分析62.1.4濾波器的參數(shù)設(shè)定73. 軟件調(diào)試3.1有源二階低通濾波器電路仿真83.2 使用Multisim 軟件測(cè)二階低通濾波器的幅頻特性83.3使用示波器測(cè)二階低通濾波器的輸出波形94. 系統(tǒng)功能125. 設(shè)計(jì)總結(jié)126. 參考文獻(xiàn)13前言本文主要介紹了二階壓控電壓源低通濾波器, 低通濾波器是一種典型的選頻電路，在給定的頻段內(nèi)，理論上它能讓信號(hào)無衰減地通過電路，這一段稱為通帶外的其他信號(hào)將受到很大的衰減，具有很大衰減的頻段稱為阻帶，通帶與阻帶的交界頻率稱為截止頻率，對(duì)濾波器的基本要求是：（1）通帶內(nèi)信號(hào)的衰減要小，阻帶內(nèi)信號(hào)的衰減要大，由通帶過渡到阻帶的衰減特性陡直上升

7、；（2）通帶內(nèi)的特性阻抗要恒為常數(shù)，以便于阻抗匹配。本濾波器主要用于限制信號(hào)于一定頻率內(nèi)通過.主要芯片為UA741運(yùn)放器.RC有源濾波器可以根據(jù)頻率范圍的不同分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。本次設(shè)計(jì)突出腦與手的結(jié)合：既要求自己具備豐富的動(dòng)手能力 ,也要求自己具備如何處理理論與實(shí)際兩者之間的關(guān)系的實(shí)際問題-如濾波器具有理想的特性是很難實(shí)現(xiàn)的,這就要求用實(shí)際濾波器的特性去逼近理想的。常見的逼近方法可用巴特沃斯(butterworth)最大平坦響應(yīng)和切比雪夫(chebyshex)等波動(dòng)響應(yīng)。在不允許帶有波動(dòng)時(shí),用巴特沃斯響應(yīng)比較好。如果給定帶內(nèi)所允許的波紋差,則用切比雪夫響應(yīng)比較好

8、。例如，PCB板老是出問題，不是布線很困難，出飛線，就是在印制時(shí)，經(jīng)常斷線，還有就是程序，這也是我們本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之重，經(jīng)過多次的調(diào)試，才得以完成。所以，經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，不僅鞏固了我們以前所學(xué)的知識(shí)：PROTEL99，PCB的制作，而且能使我們的編程能力及調(diào)試能力都有所提高。1.總體設(shè)計(jì)方案1.1有源二階低通濾波器方案1-1-1實(shí)驗(yàn)示意圖(應(yīng)是這樣的順序:先給圖編號(hào)然后是標(biāo)注,以下圖自己改)有源二階低通濾波器主要由運(yùn)算放大器,電容,電阻構(gòu)成。運(yùn)算放大器用于對(duì)信號(hào)的放大，電阻對(duì)電路起到反饋調(diào)節(jié)的作用使電壓放大范圍大大增加提高保持一定的開環(huán)增益實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍電壓的放大，而電容的用途是用來調(diào)節(jié)

9、的作用把高于設(shè)定頻率的信號(hào)導(dǎo)地衰減掉，從而達(dá)到濾波的目的。,1.2 濾波器方案設(shè)計(jì)濾波器工作原理為電路結(jié)構(gòu)圖1-2-1 1-2-1.電路結(jié)構(gòu)圖1-2-1為了改進(jìn)一階低通濾波器的頻率特性，可采用二階低通濾波器。一個(gè)二階低通濾波器包含兩個(gè)RC支路，如圖所示為二階低通濾波器的一般電路。此一般電路對(duì)于二階高通濾波器也同樣適用。圖1-2-1所示的濾波器是同相放大器。在圖1-2-1中，零頻增益為在節(jié)點(diǎn)B可得： （1-2-1）（1-2-2）（1-2-3）（1-2-4）將式（628）代人式（626），轉(zhuǎn)變到復(fù)頻域，可得一般二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為（1-2-5）在構(gòu)成二階低通濾波器時(shí)，只需選擇巧，殤，蠔，導(dǎo)納

10、的值即可。例如，當(dāng)選擇Y11/R1，Y21/R2，Y3sC1 Y4=sC2時(shí)，則構(gòu)成圖2所示的二階低通濾波器。1-2-2.濾波器電路圖對(duì)于上圖所示的二階低通濾波器，其傳遞函數(shù)為（1-2-6）式中零頻增益為（1-2-7）自然角頻率為（1-2-8）阻尼系數(shù)為（1-2-9）為了簡(jiǎn)化計(jì)算通常選C1=C2=C，則式（1-2-8），式（1-2-9）可化簡(jiǎn)為（1-2-10）（1-2-11）為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，選取C1=C2=C,R1=R2=R,則式（1-2-10），式(6-2-11)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為（1-2-12）（1-2-13）采用頻率歸一化的方法，則上述二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為（1-2-14）圖1-2-

11、3 所示為二階低通濾波器的幅頻特性曲線，其阻帶衰減特性的斜率為40dB10oct，克服了一階低通濾波器阻帶衰減太慢的缺點(diǎn)。二階低通濾波器的各個(gè)參數(shù)，影響其濾波特性，如阻尼系數(shù)苫的大小，決定了幅頻特性有無峰值，或諧振峰的高低。如圖2所示為苫對(duì)二階低通濾波器幅頻特性的影響。 1-2-3幅頻特性曲線圖1-2-4. 電路連接圖二階低通濾波器電路圖品質(zhì)因數(shù)表明了濾波器通帶的狀態(tài)。一般要Q=0.707。由此可以得到 ：（1-2-15）截止頻率w0 =w  =1/RC，即 f =1/2RC1.3 有源二階低通濾波器電路圖1-2-5.濾波電路圖(加標(biāo)注即這是張什么圖,字體不對(duì))2.單元模塊

12、設(shè)計(jì)2.1濾波器電路設(shè)計(jì)2.1.1有源二階低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)二階低通濾波器的幅頻特性曲線，其阻帶衰減特性的斜率為40dB10oct，克服了一階低通濾波器阻帶衰減太慢的缺點(diǎn)。二階低通濾波器的各個(gè)參數(shù)，影響其濾波特性，如阻尼系數(shù)苫的大小，決定了幅頻特性有無峰值，或諧振峰的高低。用運(yùn)放與少量RC 元件構(gòu)成的有源濾波器具有體積小、性能好、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。在信號(hào)處理方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。2.1.2濾波電路分析二階壓控電壓源低通濾波器電路圖如圖1所示,該電路具有元件少,增益穩(wěn)定,頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn),電路中C1、C2、R1、R2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器形式，在通頻帶內(nèi)增益等于1。2.1.3電路

13、傳遞函數(shù)數(shù)和特性分析傳遞函數(shù)的推導(dǎo)：(2-1-1)(2-1-2)可以證明，二階低通濾波器的傳遞函數(shù)由式?jīng)Q定，(2-1-3)o為截止角頻率，表示濾波器的通帶與阻帶的分界頻率。 2.1.4濾波器的參數(shù)設(shè)定已知條件:fc=1000Hz Cmax=0.01uF 開環(huán)增益A=1000切比雪夫3dB參數(shù)設(shè)計(jì)傳遞函數(shù) 求a1 a2表也要加編號(hào)和標(biāo)注哈 表(一)：歸一化參數(shù)表名稱二階LPFa1a2貝賽爾0.86950.90660.6799巴特沃爾0.70721.4140.7071切比雪夫0.1dB0.65171.6380.6955切比雪夫0.25dB0.61791.7780.6789切比雪夫1dB0.5288

14、2.2180.6061切比雪夫2dB0.44312.6720.5246切比雪夫3dB0.38333.1030.4558求間接電容:C11=494uF C12=72.5uF求實(shí)際值令R1= R1=RR= C11/C1 C1為反饋電容取最大為0.01uFR=49.4kC2= C12/R=0.00147uF驗(yàn)算 A=1000C1/2C2=3.43軟件調(diào)試3.1有源二階低通濾波器電路仿真3-1-1仿真電路圖如圖3-1-1所示進(jìn)行仿真3.2使用Multisim 軟件測(cè)二階低通濾波器的幅頻特性2-2-1-1. 幅頻特性圖由圖2-2-1-1可以看出仿真結(jié)果符合低通濾波器的幅頻特性，低于上限頻率的信號(hào)順利通過

15、而高于上限頻率的信號(hào)迅速衰減。3.3使用示波器測(cè)二階低通濾波器的輸出波形輸入電壓為10V保持不變調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為1300 Hz，1200 Hz，1100 Hz，1000 Hz，900 Hz，600 Hz，500 Hz。示波器上下邊的波形為輸入波形，上邊的波形為經(jīng)過波濾波器后的輸出波形由虛擬示波器得到輸入頻率為5001000 Hz時(shí)的輸出電壓Uo1= Ui，即AUP=1，與理論計(jì)算值相吻合。(改哈,因打印出來的是黑白圖哈,)而輸入頻率為1100 Hz時(shí),此時(shí)Uo2最接近截止時(shí)的輸出電壓UP=0.707Uo1。這說明截止頻率fc接近1000Hz,當(dāng)輸入頻率超過1000Hz時(shí)出現(xiàn)了衰減，實(shí)現(xiàn)

16、了低通的作用。同時(shí)可以看出輸入和輸出的頻率相同，說明濾波器不會(huì)改變輸入信號(hào)的頻率。(注釋：圖的上面為輸出波形，下面為輸入波形。左邊為輸入信號(hào))(在每幅圖后做說明哈,這樣顯得更有條理些,人家也看得懂哈,知道你在做什么)圖1輸入為1300Hz的輸入與輸出波形圖(以下同)當(dāng)輸入頻率為1300HZ時(shí)輸出波形與輸入波形相比較出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象，說明輸入信號(hào)的頻率高于了濾波電路的上限頻率。圖2輸入為1200Hz時(shí)的輸入與輸出波形圖當(dāng)輸入頻率為1200HZ時(shí)輸出波形與輸入波形相比較同樣出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象，說明輸入信號(hào)的頻率還是高于了濾波電路的上限頻率。圖3輸入為1100Hz時(shí)的輸入與輸出波形圖當(dāng)輸入頻率

17、為1100HZ時(shí)輸出波形與輸入波形相比較仍然出現(xiàn)了相應(yīng)的衰減現(xiàn)象，說明輸入信號(hào)的頻率稍微高于了濾波電路的上限頻率圖4輸入為1000Hz時(shí)的輸入與輸出波形圖幅當(dāng)輸入頻率為1000HZ時(shí)輸出波形與輸入波形相比較波形幅度基本保持不變，說明輸入信號(hào)的頻率與濾波電路設(shè)定的上限頻率相符即為濾波電路的上限頻率。圖5輸入為900Hz輸入與輸出波形圖當(dāng)輸入頻率為900HZ時(shí)輸出波形與輸入波形相比較波形幅度基本保持不變，說明輸入信號(hào)的頻率低于了濾波電路的上限頻率輸入信號(hào)順利通過。圖6輸入為500Hz時(shí)的輸入波形與輸出波形當(dāng)輸入頻率為500HZ時(shí)輸出波形與輸入波形相比較波形幅度沒有出現(xiàn)衰減抑制現(xiàn)象，說明輸入信號(hào)的頻

18、率低于了濾波電路的上限頻率輸入信號(hào)順利通過。4.系統(tǒng)功能有源二階低通濾波器的系統(tǒng)功能：此有源二階濾波器是一種能使有用頻率低于1000Hz信號(hào)通過而同時(shí)抑制（或衰減）無用頻率大于1000Hz信號(hào)的電子電路或裝置。而不會(huì)改變輸入信號(hào)的頻率。 實(shí)現(xiàn)在一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)中，有時(shí)輸入信號(hào)受干擾等原因而含有一些不必要的成分大于1000Hz信號(hào)，應(yīng)當(dāng)把它衰減到足夠小的程度。而在另一些場(chǎng)合，有時(shí)我們需要的信號(hào)和別的信號(hào)混在一起，應(yīng)當(dāng) 設(shè)法把我們需要的信號(hào)挑出來低于1000Hz信號(hào)。要解決這些問題都需要采用有源濾波器。5設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過近一個(gè)月的努力，有源二階低通濾波器的設(shè)計(jì)制作以基本完成。經(jīng)過試驗(yàn)搭建實(shí)際的電路得到的結(jié)果與虛擬軟件得到的結(jié)果基本一致得出了比較理想的結(jié)果。通過這次對(duì)有源二階低通濾波器的設(shè)計(jì)制作使