四阶低通滤波器的设计的课程设计

1、评阅教师评语：课程设计成绩考勤成绩实做成绩报告成绩总评成绩指导教师签名：测控电路及装置课程设计报告论文题目：四阶低通滤波器设计学院（系）：班 級:学生姓名：学号指导教师：时间：从 年 月 日到 年 月 日四阶低通滤波器设计摘要：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算系统，其中则是针对于连续的模拟信 号。低通滤波器是模拟滤波器的一种，其通频带是从零延伸到某一上限的频率， 而设计滤波器的方法根据要求的不同主要省巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和w 塞尔逼近。本电路足巴特沃斯逼近通带增益为4,截b频率错误！不能通过编 辑域代码创建对象。的四阶低通滤波器。关键词：巴特沃斯逼近，四阶低通滤波器，加法器，op7,

2、压控电压源一、原理与总体方案1.1原理常见的高阶滤波器的设计常常是由一阶和二阶的低通滤波器串联得来，此次设计 的四阶低通滤波器，则是由两个二阶低通滤波器中联得来。而滤波器的设计由于对相 频和幅频的要求不同主要有三种设计方式巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和贝塞尔逼 近。这次的设计选择了保持幅频特性单调变化的前提下，通带内特性最为t坦的巴特 沃斯逼近。其幅频特性为1 + a)(.)2n公式1a(co) =-其屮n为网络阶数，为转折频率。n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数可由下式确 定：kphcok = s + 2a)c sin3ks + a)ccom = 2n + 1.fr :75 4- coc u 5

3、2 + 2eoc sin 3ks +式屮ok =(2k-l)7t/(2n)公式2本电路图为一个增益为四的四阶低通滤波器，则由上式可知有w个增益为二阶 的低通滤波器串联构成。为了史为明确地看到低通滤波的效果，现在四阶低通滤波器 的前面加一个加法器的输入。1.2总体方案1.2.1加法器的设计加法电路是信号运算电路中的基木电路，按照相位关系可以分为同向加法电路 和反h'd加法电路，本电路图由于方便看相位的原因，选择同m加法电路。有计算可得r,=r2= r3 =r = iok rf =20k则可以得到+人21.2.2四阶低通滤波器的设计由公式1、2可得的用巴特沃斯逼近法设计电路的幅频特性及传递

4、函数2w计算可得2w$一 + 2vv,、sin /r/8s + w： 5一 + 2wr sin 3-tt. 8s + w；cfccf两级的二阶滤波的阻尼一个环节具有较小的阻尼 =0.765,另一个环节具有较大的阻 尼 = 1.848采用压控电压源型低通滤波电路则可先根据二阶有源滤波器设计电容选 择用表查得所用的电容c, = c2 = c、=c4=0.0k/f再根据：l0和'r2c'c2rrr, c，otr n_t>+-n-* /?（）“。（0wi c2q <*<>-丄丄1 - kf/?2c2求得两级电路的电阻大小晃=20.804泊 /?4 = 12.17

5、5 r, = 8.612h2 /?8 =29.411/12 r,=r6=r2=r5= 10h2二、仿真设计2.1仿真电路如图1所示按照总体方案屮1.2.1、1.2.2屮计算出来的参数，和电路阁形，选择运放op07和相应个数的电阻和电容，按照计算值更改相皮的参数大小。找出信号发 生器和示波器按照信号的输入输出接线。调整信号发生器、示波器、波特图示仪已达到相成的输出结果。图1仿真电路图2.2仿真幅值谱调节输入输岀的大小，和衰减的大小，得到如图二的通频带内的仿真幅值图，由阁可以看到巴特沃斯逼近的基本原则是在保持幅频特性单调变化的前提下，通带内特 性最为平坦。在通频带内为12.044db,调整到衰减3

6、db的地方，得到其截止频率为 lkhz,如图三所示。图2仿真幅值谱，通频带內努波特s示佼xbp1阁3仿真幅值谱，截止频率2.3仿真相位谱如图四所示为仿真相位谱，可以看出由巴特沃斯逼近设计岀来的电路图的相频特 性不是最好的，存在一定的失真和过冲的情况。图4仿真和位谱2.4图五所示为四阶低通滤波器的输入输出波形图，输入加法器的信号是有一个 高频信号和一个低频信号和加得到，图五中的通道a则是输入加法器中的低频信号。 由丁信号通过了四阶低通滤波器，所以滤除了高频的信号只剩h氏频信号并且进行四 倍放大图五中的通道b则是输出信号。由仿真仪器显示可得输入信号的幅值为 998.969mv输出信号的幅值为4.0

7、01v。由此可得放大倍数为四倍，但是由图吋知，输 入输出信号存在一定量的相位差，但由于期间的原因相位差不可以避免。图5仿真波形三、硬件设计3.1电路板的设计制作如阁六所示为电路板的实物阁，由于在实物器件屮不能找到与计算值完全相同的 电阻。所以制作出来的电路图不能像仿真那样的标准结果，所以制作电路板时需要队 电阻的大小进行凋整，已达到最为接近的结果。由实物凋整最终电阻的大小为错误！不能通过编辑域代码创建对象。由两个10k错误！不能通过编辑域代码创建对象。的 电阻申联和两个2k错误！不能通过编辑域代码创建对象。的电阻并联c在串联，错 误！不能通过编辑域代码创建对象。由一个10k错误！不能通过编辑域

8、代码创建对象。 的电附和一个2k错误！不能通过编辑域代码创建对象。的电阻串联，错误！不能通 过编辑域代码创建对象。由一个的大小为10k错误！不能通过编辑域代码创建对象。 的电位器代替，错误！不能通过编辑域代码创建对象。则由两个10k错误！不能通过 编辑域代码创建对象。和两个4.7k错误！不能通过编辑域代码创建对象。四个电阻串联得来。保持与仿真相同大小。在测试的过程中调节电阻 和电容的大小使得其达到所需的效果图六电路板实物照片3. 2示波器调试图七示波器调试波形图（通频带内）vns图八示波器调试波形图（衰减3b）由图可以得到，放大倍数为四倍，截止频率为lkhz,同向，具有一定的相位差四、调试4.

9、1设计中遇到的问题没有合适的电阻大小与计算出来的电阻相匹配，采取的解决方式足根据所有电阻 和所需电阻的大小，使用串联和并联以及电位器的接入使得其屮的误差最小；放大倍 数过大（过小），解决方法是调整电路中的电阻阻值大小，使输出达到要求的四倍培 益；截止频率过大（过小），解决方法是调整电路中电容的容值大小，过大串联，过 小并联，是电路的截止频率在lkhzo4.2调试中遇到的问题调试中的输出波形失真，解决办法是调小输入的幅值大小，使幅值不超过iv, 调试中无输出波形，则是输入频率过高，高于1khz的截止频率，调整输入信号的两 个频率，调为其屮一个频率大于截止频率一个频率小于截止频率。五、测试与分析测

10、试所得增益为4,截止频率错误！不能通过编辑域代码创建对象。增益是巾两阶增益为二的二阶低通滤波放大得来，输入的幅值为iv,输出的幅值为4v， 刚好四倍。截止频率是在输出初值不变的情况卜调整输入频率而输入幅值不变的情况 下，调得输出幅值为原幅值的0.707倍，也就是衰减3db后频率为lkhz。六、结束语本电路是测控屮最为基本的电路，设计方法也是最为基础的。通过这次设计，把 原来局限于书木上的单一计算设计与实验时的单一测量过结采联系起來，让基础的计 算到设计初步电路到仿真修改再到电路的实物制作，最后的硬件调试及测量几个过程 连贯起来。进一步熟悉丫巴特沃斯逼近的设计方法，仿真软件multisim的使用及仿 真调试，电路板的制作中的一些接线、节点、焊接问题的解决，实物调试