电气工程学院有源低通滤波器 课程设计设计题目有源低通滤波器设计学 号：姓 名：同组人：指导教师：设计时刻：2012年11月20号设计地址：电气学院实验中心有源低通滤波器 课程设计成绩评定表姓名学号课程设计题目：有源低通滤波器设计课程设计答辩或提问记录：成绩评定依据：课程设计预习报告及方案设计情况（30%）：课程设计考勤情况（15%）：课程设计调试情况（30%）：课程设计总结报告与答辩情况（25%）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：有源低通滤波器 课程设计任务书学生姓名：指导教师：一、课程设计题目：有源低通滤波器设计二、课程设计要求1. 按照具体设计课题的技术指标和给定条件，独立进行方案论证和电路设计，要求概念清 楚、方案合理、方式正确、步骤完整；2. 查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真；3. 完成预习报告，报告中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；4. 进实验室进行电路调试，边调试边修正方案；5. 撰写课程设计报告最终的电路图、调试进程中碰到的问题和解决问题的方式。三、进度安排1.时刻安排序号内容学时安排（天）1方案论证和系统设计12完成电路仿真，写预习报告13电路调试24写设计总结报告与答辩1合计5设计调试地点：电气楼4102执行要求课程设计共5个选题，每组不得超过2人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的 详细电路（包括计算和器件选型）。严禁剽窃，严禁两篇设计报告类似。摘要滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内 的信号通过，有源滤波器被普遍用于信息处置、数据传送等电路中。在对二阶有 源低通滤波器的原理进行分析的基础上，采用2个2阶低通滤波电路级联的方案， 设计了基于巴特沃斯逼近的4阶有源低通滤波器。在Mul tisim软件中利用虚拟示 波器、波特图示仪等设备，对设计的滤波器的交流特性进行仿真，并对仿真结果 进行了分析，其交流特性符合理论设计，具有必然的参考价值。关键词：滤波器，有源低通，巴特沃斯，multisimAbstractAbstract：Filteristhecircuitwhichhasaselectiveforthefrequency of signals，its function is to make a specific range offrequency throughSourcefilteriswidelyusedforinformationprocessinganddata transmission circuitBased on the analysis of principle of 2nd Source low passed filter，by using the Scheme of cascading two 2nd source low-passed filter and themethod of examining the table，the 4nd source low-passed filter based on Butterworth is designedBy using the oscilloscopeandBodeplotterinMultisim，theACFeaturesofthisFilter wasSimulated，andthesimulationresultswereanalyzed，itSACfeatures met with theory design and has certain reference valueKey words: Source lowpassed filter，Butterworth，Multisim目录摘要 3Abstract 3目录 4第一章系统方案设计 .1 滤波器介绍 1有源低通滤波器的设计要求 1设计内容1设计要求1元器件1考核标准1芯片介绍 2有源低通滤波器的设计原理 2有源低通滤波器的设计方案 3第二章仿真5仿真电路图 5仿真结果分析 5瞬态特性分析5频率特性分析7第三章电路调试1031实物面包板图 1032调试最终元器件阻值 1133 PCB 制版 11第四章结论13第五章 心得体会与建议 14参考文献 15附录1：元器件清单.16第一章 系统方案设计滤波器介绍滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内 的信号通过，而阻止其他频率的信号通过。有源滤波器具有设计标准化、模块化、 易于制造等长处，因此被普遍用于信息处置、数据传送和抑制干扰等电路中。低通滤波器分为无源和有源两种。无源滤波器是由电感、电容及电阻组成的， 由于受到尺寸和实际性能的限制，电感在某些频率范围不太适用，因此，近几年 来有一种趋向, 即用能模拟电感效应的有源器件来代替电感。几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各类低通、高通、 带通、带阻滤波器多数是按照此特性推导出来的。正因如此，才使得滤波器的设 计得以简化，精度得以提高。理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于 截止频率的信号都应该被无穷的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也 称为矩形滤波器(brick- wallfilter)。遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的， 所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性算了。按照所选的逼近函数的不 同，能够取得 不同的响应。虽然逼近函数多种多样，可是考虑到实际电路的利 用需求，咱们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性，而“切比雪夫响应”带通滤 波器却具有更陡的衰减特性。所以具体选用何种特性，需要按照电路或系统的具 体要求而定。有源低通滤波器的设计要求设计内容设计一个有源低通滤波器。设计要求要求截止频率20k赫兹。元器件 运算放大器LM324二片； 9012三极管； 9013三极管； 电阻若干； 电容若干；考核标准 预习方案报告； 独立设计； 独立调试； 验收； 设计报告；(含 PCB 图、原理图)芯片介绍LM324 系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用处合的标准运 算放大器相较，它们有一些显著长处。该四放大器能够工作在低到伏或高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负 电源，因此消除在许多应用处合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大 器可用图1 所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入 端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端 中，Vi-(-) 为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+ ( + )为同 相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。有源低通滤波器的设计原理本次设计选取选取巴特沃斯滤波器。它的特点是通频带内的频率响应曲线最 大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率 的波特图上，从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而慢慢减少，趋向 负无穷大。一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频 6 分贝，每十倍频20 分贝。二阶巴 特沃斯滤波器的衰减率为每倍频 12分贝、 三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍 频 18 分贝、如此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，而且也是唯 一的无论阶数，振幅对角频率曲线都维持一样的形状的滤波器。只不过滤波器阶 数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级 数的振幅对角频率有不同的形状。巴特沃斯低通滤波器的平方幅度响应为:其中，n为滤波器的阶数，Wc为低通滤波器的截止频率。图2展示了2阶、4阶、8阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性。可见阶数n越高，其有源低通滤波器的设计方案4阶有源低通滤波器能够由2个2阶低通滤波器级联组成，其大体电路图如图3 所示。设计4阶巴特沃思低通滤波器的传递函数，用2个2阶巴特沃思低通滤波器 组成1个4阶巴特沃恩低通滤波器，其传递函数为： yQ ； J - mH J+ sGcd为了简化计算，其参数知足如下条件：f=2CC2 - R1 - R2 (:C2)选取C二，可算得R=796 Q。4阶巴特沃思低通滤波器2个阻尼系数为：,，由此算得两个零频增益为厶 1 = 3 E 诂0 765 2. 235G呕=3 爲 848 = 1.152(3)1. 152则传递函数为：Gi )= 5f+0?7655A+l X +17848+1 能够选择两个2阶巴特沃斯低通滤波器级联组成。增益别离为：Gi = l十 = 2.235 = 1+1. 235(5)仏2=1+字=1. 152 = 1 +6152(6)对于第一级，若选取R3=61KQ，贝UR4=Q；对于第二级，若选取R7=20KQ，贝U R4二Q。图3 4阶巴特沃斯低通滤波器大体电路第二章仿真仿真电路图按照的设计方案，选择适合的元器件，利用multisim进行仿真。仿真电路图4 multisim仿真电路图仿真结果分析瞬态特性分析 用示波器观测电路瞬态仿真特性，连接如图所示。C10.01pF“R2796Q9.2 7kQC30.01严796Q796Q20kQ图5 利用示波器观察瞬态特性当输人信号为2V、lKHz时，输入、输出波形如图6所示，幅值放大了2. 6倍; 把信号频率调整到10 kHz，发觉图7中波形不仅幅值已经明显衰减，相位也发生 转变，可明显看出该滤波对大于截止频率的信号有较强的抑制作用;当输入信号 变成50KHz时，图8中输出信号几乎衰减为0。4 Channel Csciltoscope-XSClT1 0 3TimeChannel_AChannel_B匚 hannel_CChannel_D17.556 ms-1.219 V-1.552*17.556 ms-1.219 V-1.952 V .OsD.DD3 UO.OOD VTlmebaseChannel A- ATriggeScsie：500 ug/DivSale：5 畑M|g gEdge:E IS氏tXpos.Jiv):-0r pos.(DivJ: 0口 ILevel:DV阮小才氐了1c竺|丄|回一 a|Sing. Nor. |/iuta | None a EytT2-T1图6 fi=1kHz, Vi=时示波器的观察结果| Redens亡 |SaveGND4 Channel Csciltoscope-XSCLssrlTimEChannel_AChannel_EChannel_CChannel_D1.-1SD ms-2.071VHC7.2S4mV1.