有源二阶低通滤波器

1、四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第1页 成绩：分 电子工程系 课程设计报告书 课程设计名称 _ 电子技术课程设计 _ 题 目 有源二阶低通滤波器 学生 姓名 高浩宝 支 业 电子信息工程 班 级 2007 QQ 446191090 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第2页共16页 日期 : 2009 年6 月 日 摘要：本文主要介绍了二阶压控电压源低通滤波器，低通滤波器是一种典型的选频电 路，在给定的频段内，理论上它能让信号无衰减地通过电路，这一段称为通带外的其他 信号将受到很大的衰减，具有很大衰减的频段称为阻带，通带与阻带的交界频率称为截 止频率，对滤波器的基本要求是：

2、（1）通带内信号的衰减要小，阻带内信号的衰减要 大，由通带过渡到阻带的衰减特性陡直上升；（2）通带内的特性阻抗要包为常数，以 便丁阻抗匹配。本滤波器主要用丁限制信号丁一定频率内通过.主要芯片为UA741运放 器.在制作过程中运用到了 protel,EWB等软件，用来制作电路板和设计的仿真计算等. 关键字：低通;UA741;滤波；截止频率； Abstract： The lowpass filter one selecting circuit frequently typical, give the frequency band definitely, in theory it make sign

3、al is it decay to have through circuit, the called outside 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 demandof the

4、 wave filter is: (1) Bandpass decay of signal light, 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 impedan

5、ce is matched. This article introduced the active low 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四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第3页共16页 目 录 前言 . 1 1. 总体设计方案 . 2 1.1 有源二阶低通滤波

6、器方案 . 2 1.2 滤波器方案设计 . 2 1.3有源二阶低通滤波器电路图 .5 2. 单元模块设计 . 3 2.1 滤波器电路设计 . 6 2.1.1 有源二阶低通滤波器的优点 . 6 2.1.2 滤波电路分析 .6 2.1.3 电路传递函数数和特性分析 .6 2.1.4滤波器的参数设定 . 7 3. 软件调试 3.1有源二阶低通滤波器电路仿真 .8 3.2 使用Multisim软件测二阶低通滤波器的幅频特性 . 8 3.3使用示波器测二阶低通滤波器的输出波形 . 9 4. 系统功能 . 12 5. 设计总结 . 12 6. 参考文献 . 13四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告

7、第4页共16页 前言 本文主要介绍了二阶压控电压源低通滤波器，低通滤波器是一种典型的选频电路，在给 定的频段内，理论上它能让信号无衰减地通过电路，这一段称为通带外的其他信号将受 到很大的衰减，具有很大衰减的频段称为阻带，通带与阻带的交界频率称为截止频率， 对滤波器的基本要求是：(1)通带内信号的衰减要小，阻带内信号的衰减要大，由通带 过渡到阻带的衰减特性陡直上升；(2)通带内的特性阻抗要包为常数，以便丁阻抗匹配。 本滤波器主要用丁限制信号丁一定频率内通过.主要芯片为UA741运放器.RC有源滤波 器可以根据频率范围的不同分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。本次设计突出 脑与手的结合：既要求

8、自己具备丰富的动手能力 ，也要求自己具备如何处理理论与实际 两者之间的关系的实际问题-如滤波器具有理想的特性是很难实现的，这就要求用实 际滤波器的特性去逼近理想的。常见的逼近方法可用巴特沃斯 (butterworth)最大平坦响 应和切比雪夫(chebyshex)等波动响应。在不允许带有波动时，用巴特沃斯响应比较好。 如果给定带内所允许的波纹差，则用切比雪夫响应比较好。例如，PCB板老是出问题， 不是布线很困难，出飞线，就是在印制时，经常断线，还有就是程序，这也是我们本次 课程设计的重点之重，经过多次的调试，才得以完成。所以，经过这次课程设计，不仅 巩固了我们以前所学的知识：PROTEL99

9、, PCB的制作，而且能使我们的编程能力及 调试能力都有所提高。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 1.总体设计方案 1 1 - - 1 1 - - 1 1实 验 示 意 图 （ 应 是 这 样 的 顺 序 ： 先 给 图 编 号 然 后 是 标 注 ， 以 下 图 自 己 改 ） 有源二阶低通滤波器主要由运算放大器，电容，电阻构成。运算放大器用丁对信号的放 大，电阻对电路起到反馈调节的作用使电压放大范围大大增加提高保持一定的开环增益 实现对一定范围电压的放大，而电容的用途是用来调节的作用把高丁设定频率的信号导 地衰减掉，从而达到滤波的目的。， 1.2 滤波器方案设计 为了改进一阶低通

10、滤波器的频率特性，可采用二阶低通滤波器。一个二阶低通滤波 第5页共16页四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第6页共16页 器包含两个RC支路，如图所示为二阶低通滤波器的一般电路。此一般电路对丁二阶高 通滤波器也同样适用。图1-2-1所示的滤波器是同相放大器。在图 1-2-1中，零频增 益为 在节点B可得: N (1-2-1) 在节点X可得 七*二七(匕+匕+匕)-虬匕-%匕 =气(匕匕+匕)虬匕-* (1-2-4) 将式(6 2 8 )代人式(6 2 6),转变到复频域，可得一般一阶低通滤波器的 在构成二阶低通滤波器时，只需选择巧，荡，蛀， %0导纳的值即可。例如，当选择 Y1 =1

11、/R 1 , Y2 = 1/R2 , Y3 = SC1 Y4=sC 2时，则构成图2所示的二阶低通滤波器。 (1-2-2) 1-2-3) Gg 传递函数为 U G(j) = -5 匕匕+匕(匕十匕+ %) +匕*(1 - G) (1-2-5) 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第7页共16页 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第8页共16页 R C I I (1-2-9 ) Ci=C 2=C，则式(1-2-8 )，式(1-2-9 )可化简为 ) (1-2-10 ) 式中零Jig增益为 (1-2-7 ) 自然角频率为 (1-2-8 ) 阻尼系数为 (1-2-6) 为了简化计算

12、通常选 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第9页共16页 同 ru 一虬(1-2-11) 为了进一步简化计算，选取 C1=C2=C,R 1=R2=R,则式(1-2-10 )，式(6-2-11)可进 一步简化为 i M (1-2-12 ) f 二 3 - 冬 (1-2-13 ) 采用频率归一化的方法，则上述二阶低通滤波器的传递函数为 C = j X1 J + fJ + 1 (1-2-14 ) 图1-2-3所示为二阶低通滤波器的幅频特性曲线，其阻带衰减特性的斜率为一 40dB / 10oct ,克服了一阶低通滤波器阻带衰减太慢的缺点。二阶低通滤波器的各个 参数，影响其滤波特性，如阻尼系数

13、苫的大小，决定了幅频特性有无峰值，或谐振峰的 高低。如图2所示为苫对二阶低通滤波器幅频特性的影响。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第10页共16页 阶低通滤波器电路图品质因数表明了滤波器通带的状态。一般要 Q=0.707 G（aXdH） 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第11页共16页 由此可以得到： 截止频率 w0 =w =1/RC，即f =1/2兀RC 1.3 有源二阶低通滤波器电路图第12页共16页 1-2-5.滤波电路图（加标注即这是张什么图，字体不对） 2.单元模块设计 2.1滤波器电路设计 2.1.1有源二阶低通滤波器的优点 二阶低通滤波器的幅频特性曲线，其

14、阻带衰减特性的斜率为 40dB / 10oct ,克服了 一阶低通滤波器阻带衰减太慢的缺点。二阶低通滤波器的各个参数，影响其滤波特性， 如阻尼系数苫的大小，决定了幅频特性有无峰值，或谐振峰的高低。用运放与少量RC元 件构成的有源滤波器具有体积小、性能好、调整方便等优点。在信号处理方面得到了极 为广泛的应用。 2.1.2滤波电路分析 二阶压控电压源低通滤波器电路图如图 1所示，该电路具有元件少，增益稳定，频率 范围宽等优点，电路中C1、C2、R1、R2构成反馈网络。运算放大器接成电压跟随器形式， 在通频带内增益等丁 1 0 2.1.3电路传递函数数和特性分析 传递函数的推导:四川师范大学成都学院

15、电子工程系课程设计报告 利通过而高丁上限频率的信号迅速衰减。 第11页共16页 _ _ _ Aw _ -wg 丝+ ,积丫 (2-1-1) Au(jtti) - - 77 I 岩+陆 (2-1-2) 可以证明，二阶低通滤波器的传递函数由式决定, * nn (2-1-3) 3。为截止角频率，表示滤波器的通带与阻带的分界频率 2.1.4滤波器的参数设定 已知条件:fc=1000Hz Cmax=0.01uF 开环增益 A=1000 切比雪夫3dB 参数设计传递函数 求，a1 a2表也要加编号和标注哈 3)3) 表(一)：归一化参数表 名称 二阶 LPF a1 a2 贝赛尔 0.8695 0.9066

16、 0.6799 巴特沃尔 0.7072 1.414 0.7071 切比雪夫0.1dB 0.6517 1.638 0.6955 切比雪夫0.25dB 0.6179 1.778 0.6789 切比雪夫1dB 0.5288 2.218 0.6061 切比雪夫2dB 0.4431 2.672 0.5246 切比雪夫3dB 0.3833 3.103 0.4558 求间接电容:C11=494uF C12=72.5uF 求实际值 令 R1= R1=R R= C11/C1 C1 为反馈电容取最大为0.01uF R=49.4k C2= C12/R=0.00147uF 验算 A=1000 C1/2C2=3.4 3

17、软件调试四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第14页共16页 3.1有源二阶低通滤波器电路仿真 3.2使用Multisim软件测二阶低通滤波器的幅频特性 . A = 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 利通过而高丁上限频率的信号迅速衰减。 第11页共16页 2 2- -2 2- -1 1- -1.1.幅频特性图 由图2-2-1-1可以看出仿真结果符合低通滤波器的幅频特性， 低丁上限频率的信号顺四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第16页共16页 3.3使用示波器测二阶低通滤波器的输出波形 输入电压为10V保持不变调节输入频率，使之分别为 1300 Hz, 1200 Hz

18、, 1100 Hz, 1000 Hz, 900 Hz, 600 Hz , 500 Hz。示波器上下边的波形为输入波形，上边的波形为 经过波滤波器后的输出波形由虚拟示波器得到输入频率为 500-1000 Hz时的输出电压 Uo1=Ui，即AUP=1与理论计算值相吻合。 （改哈，因打印出来的是黑白图哈，）而输入频 率为1100 Hz时，此时Uo2最接近截止时的输出电压 UP=0.707Uo1这说明截止频率fc 接近1000Hz,当输入频率超过1000Hz时出现了衰减，实现了低通的作用。同时可以看出 输入和输出的频率相同，说明滤波器不会改变输入信号的频率。 （注释：图的上面为输 出波形，下面为输入波

19、形。左边为输入信号 ）（在每幅图后做说明哈，这样显得更有条理 些,人家也看得懂哈，知道你在做什么） 图 1 1 输入为 1300Hz1300Hz 的输入与输出波形图（以下同） 当输入频率为 1300HZ1300HZ 时输出波形与输入波形相比较出现了明显的衰减现象，说明输入信号的频率 高于了滤波电路的上限频率。r7 P LlJL 757.351 uV Y posccr |16 * nr毛r叮旦1 pwbon |3 7T Add 峋 AB 3F aj Wl U 声 土I 些I :J & Tym Norj AutoH 5ZK!V 俪阪m 5.邮V 焚TT.&Ml nftf 口j.|.

20、S 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第17页共16页 pZW DiiyC成* Aijat iD 图 2 2 输入为 1200Hz1200Hz 时的输入与输出波形图 当输入频率为 1200HZ1200HZ 时输出波形与输入波形相比较同样出现了明显的衰减现象，说明输入信号的 频率还是高于了滤波电路的上限频率。 图 3 3 输入为 1100Hz1100Hz 时的输入与输出波形图 当输入频率为 1100HZ1100HZ 时输出波形与输入波形相比较仍然出现了相应的衰减现象，说明输入信号的 频率稍微高于了滤波电路的上限频率G-cnc. i. . X Signal Frrquny 111Q0 S

21、uiy Cydt - - - _ r FmictioB . X | 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 第18页共16页 图 4 4 输入为 1000Hz1000Hz 时的输入与输出波形图幅 当输入频率为 1000HZ1000HZ 时输出波形与输入波形相比较波形幅度基本保持不变，说明输入信号的频率 与滤波电路设定的上限频率相符即为滤波电路的上限频率。 图 5 5 输入为 900Hz900Hz 输入与输出波形图 当输入频率为 900HZ900HZ 时输出波形与输入波形相比较波形幅度基本保持不变，说明输入信号的频率低 于了滤波电路的上限频率输入信号顺利通过。fES IT AmpMMie f

22、ij Dplira OFFwi p 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 图 6 6 输入为 500Hz500Hz 时的输入波形与输出波形 当输入频率为 500HZ500HZ 时输出波形与输入波形相比较波形幅度没有出现衰减抑制现象， 说明输入信号 的频率低于了滤波电路的上限频率输入信号顺利通过。 4,系统功能 有源二阶低通滤波器的系统功能：此有源二阶滤波器是一种能使有用频率低丁 1000Hz信号通过而同时抑制（或衰减）无用频率大丁 1000Hz信号的电子电路或装置。 而不会改变输入信号的频率。 实现在一个实际的电子系统中，有时输入信号受干扰等原因而含有一些不必要的成 分大丁 1000Hz信号，应当把它衰减到足够小的程度。而在另一些场合，有时我们需要 的信号和别的信号混在一起，应当 设法把我们需要的信号挑出来低丁 1000Hz信号。要 解决这些问题都需要采用有源滤波器。 5设计总结 经过近一个月的努力，有源