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 级：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,其中那么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有巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和贝塞尔逼近.本电路是巴特沃斯逼近通带增益为 4,截止频率T0 1kH乙的四阶 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,压控电压源一、原理

2、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,那么是由两个二阶低通滤波器串联得来. 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,通带内特性最为平坦的巴特沃斯逼近.其幅频特性为A()Kp,1 ( / c)2n公式1其中n为网络阶数,Wc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：Kpn 2NH(s)2 c sinckS式中k (2kKp c1) /(2n)s22 csin ks 2cc公式2n 2N本电路图为一个增益

3、为四的四阶低通滤波器,那么由上式可知有两个增益为二阶的低通滤波器串联构成.为了更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.R 10K Rf 20k那么可以得到u0 % ui2有计算可得RiR2R31.2.2四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函数- 22wc cs2 2wcsin 8s2* 2w5计算可得2 .2 2Wc s 2wcsin3 8s Wc两级的二阶滤波的阻尼一个环节具有较小的阻尼1=0.765,另一个环节具有较大的阻尼2=1.848采用压控电压源型低通滤波电路那么可先根据二阶有源滤波器设计电容选择用表查得

4、所用的电容C1 C2 C3C4 0.01uF再根据：KfW0, R1R2C1C21111 KfwoCR1R2R2 c2求得两级电路的电阻大小R3取804kR4 12/75k" 8612kR8 29,411kR1 R6 R2 R5 10k二、仿真设计2.1 仿真电路图如图1.所示根据总体方案中1.2,1、1.2.2中计算出来的参数,和电路图形,选择 运放OP07和相应个数的电阻和电容,根据计算值更改相应的参数大小.找出信号发 生器和示波器根据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 到相应的输出结果.图1仿真电路图2.2 仿真幅值谱调节输入输出的大小,和衰减的大小,得

5、到如图二的通频带内的仿真幅值图,由图可以看到巴特沃斯逼近的根本原那么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3dB的地方,得到其截止频率为 1KHz,如图三所示.图2仿真幅值谱,通频带内图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出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仿真相位谱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相加得到,图五中的通道 A那么是输入加法器中的低频信号. 由于信号通过了四阶低通滤波器,

6、所以滤除了高频的信号只剩下低频信号并且进行四 倍放大图五中的通道B那么是输出信号.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4.001V.由此可得放大倍数为四倍,但是由图可知,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防止.图5仿真波形三、硬件设计3.1 电路板的设计制作如图六所示为电路板的实物图,由于在实物器件中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调整,已到达最为接近的结果.由实物调整最终电阻的大小为R3由两 个10k的电阻串联和两个2k的电阻并联后在串联,R4由一个1

7、0k的电阻和一个 2k的电阻串联,R7由一个的大小为10k的电位器代替,R8那么由两个10k和两个 4.7k四个电阻串联得来.R1 R6 R2 R5 10k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到达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 1KHz,同向,具有一定的相位差四、调试4.1 设计中遇到的问题没有适宜的电阻大小与计算出来的电阻相匹配, 采取的解决方式是根据所有电阻 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中的误差最小；放大倍数过大过小,解决方

8、法是调整电路中的电阻阻值大小,使输出到达要求的四倍增 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 1KHz.4.2 调试中遇到的问题调试中的输出波形失真,解决方法是调小输入的幅值大小,使幅值不超过1V,调试中无输出波形,那么是输入频率过高,高于 1KHz的截止频率,调整输入信号的两 个频率,调为其中一个频率大于截止频率一个频率小于截止频率.五、测试与分析测试所得增益为4,截止频率f0 1kHz o增益Kp=4,是由两阶增益为二的二 阶低通滤波放大得来,输入的幅值为 1V,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下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1KHz六、结束语本电路是测控中最为根本的电路,设计方法也是最为根底的.通过这次设计,把原来局限于书本上的单一计算设计与实验时的单一测量过结果联系起来,让根底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.进一步熟悉了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,实物调试时示波器的 使用以及出现的各种问题的