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)”課的根底上，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。根本任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)小型模擬電子系統(tǒng)。目錄TOC\o"1-3"\h\u4275引言 2587模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 59403長(zhǎng)沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表 66900一電路原理及其介紹 756581.什么是濾波器7266012.什么是低通濾波器7211583.有源低通濾波器的運(yùn)放7133454.實(shí)驗(yàn)的要求和目的892325.模擬電子電路的設(shè)計(jì)流程圖8273446.電路設(shè)計(jì)的一般步驟861077.電路原理932266二電路的參數(shù) 10286671.參數(shù)的要求10100762.參數(shù)的要求11106403.參數(shù)確實(shí)定1231264三Multisim電路仿真 12210801.電路的仿真12157823.調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方法1427339四實(shí)驗(yàn)總結(jié) 1430048五參考文獻(xiàn) 15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一電路原理及其介紹1.什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)本錢，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。2.什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)中常用的根本電路,也是高階慮波器的根本組成單元。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)限增益多路反應(yīng)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。3.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)局部組成，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)外加反應(yīng)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--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。4.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?！?〕分析有源低通濾波電路性能。5.模擬電子電路的設(shè)計(jì)流程圖所有圖的下方都要居中寫上圖號(hào)圖名6.電路設(shè)計(jì)的一般步驟所有圖的下方都要居中寫上圖號(hào)圖名〔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〕尋找適宜的傳遞函數(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)反應(yīng)，該反應(yīng)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)，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)反應(yīng)，在不同的頻段，反應(yīng)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-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(guò)電容c引到集成運(yùn)放同相端的反應(yīng)是負(fù)反應(yīng)，反應(yīng)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，所以該反應(yīng)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。傳輸函數(shù)為：令稱為通帶增益稱為等效品質(zhì)因數(shù)稱為特征角頻率那么上式為二節(jié)低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式注：濾波電路才能穩(wěn)定工作。二電路的參數(shù)1.參數(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)：其傳遞函數(shù)：其中：Wo=1/RC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。不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過(guò)分析可知：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。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以到達(dá)40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定提升。如果Q=0.707時(shí)，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q>0.707時(shí),幅頻特性將出現(xiàn)峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設(shè)計(jì)電路圖參數(shù)。2.參數(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,那么根據(jù)根式得R1=R2==3K經(jīng)同相放大電路輸入后計(jì)算得通帶增益為3.參數(shù)確實(shí)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2.仿真的結(jié)果由圖可見經(jīng)仿真分析可得在衰減—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下圖，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)。3.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(méi)出現(xiàn)，可能是Vertical坐標(biāo)范圍中的終點(diǎn)F沒(méi)調(diào)到適宜位置，也可能是參數(shù)沒(méi)選擇好，可適當(dāng)調(diào)整。四實(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(méi)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)元件的選擇原那么和計(jì)算有了根本的了解，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)打下了初步根底。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。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，在查找資料的過(guò)程中我涉獵到很多課外知識(shí)，明白自己所學(xué)的僅僅是一些片面的，還有很多東西需要去發(fā)現(xiàn)和了解。而圖書館就是我們了解