电子电路仿真及设计CDIO三级项目设计说明书二阶低通滤波器的设计.doc

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1、（科信学院）信息与电气工程学院电子电路仿真及设计CDIO三级项目设计说明书（2013/2014学年第二学期）题 目 ： _ _ _ _ _ 专业班级 ： 通信工程12级一班 学生姓名 ： 崔吟爽、仇 硕、李晓娜、 肖俊强 潘亚男、李方方、刘盛瑞、 王孟宇 学 号： 1203121、 120312101、 120312102 120312103、120312104、 120312105 120312106、 120312107、 指导教师 ：李晓东、付佳 、王鹏 设计周数 ： 2周 2014年7月11日目录第一章 课程设计任务及要求51.1设计任务51.2设计要求5第二章 系统设计方案选择52.

2、1 总方案设计52.2子框图的作用62.3 方案选择6第三章 系统组成及工作原理73.1芯片介绍73.2实际滤波器的频率特性73.3二阶有源低通滤波器9第四章 单元电路设计、参数计算、器件选择104.1二阶有源低通滤波器设计及参数计算1011第五章 电路组装及调试125.1压控电压源低通滤波电路1213第六章 总结与体会16参考文献17附录二 元件清单19附录三 实物图201.课程设计任务及要求1.1设计任务1、学习RC有源滤波器的设计方法；2、由滤波器设计指标计算电路元件参数；3、设计二阶RC有源滤波器(低通)；4、掌握有源滤波器的测试方法；5、测量有源滤波器的幅频特性。1.2设计要求截止频

3、率增益Av=22.系统设计方案选择2.1 总方案设计 2.1.1方案框图RC网络反馈网络放大器 图1 RC有源滤波总框图2.2子框图的作用（1）RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。（2）放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。（3）反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。2.3 方案选择2.3.1滤波器的选择一阶滤波器电路最

4、简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。2.3.2级数的选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。2.3.3.元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率fc (c)带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给

5、定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表1.1.3初选电容值。表1.1.3 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(110)Hz（10102）Hz（102103）Hz（110）KHz（10103）KHz （102103）KHzC(2010)F（100.1）uF（0.10.01）uF（104103）pF（103102）pF（10210）pF3.系统组成及工作原理3.1芯片介绍UA741集成运放图2 UA741管脚图UA741管脚图为图2。UA741芯片是高增益运算放大器，常用于军事，工业和商业应用

6、.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。第2管脚是负输入端；第3管脚是同相端输入端；第4和第7管脚分别为负直流源和正直流源输入端；第6管脚为输出端；第8管脚是悬空端；第1管脚和第5管脚是为提高运算精度。在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器，用直流电压表测量输出电压Uo，细心调节调零电位器，使Uo为零（即失调电压为零）。如果一个运放如不能调零，大致有如下原因：（1）组件正常，接线有错误。（2） 组件正常，但负反馈不够强，为此可将其短路，观察是否能调零。（3）

7、组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。（4）组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。（5）组件内部损坏，应更换好的集成块3.2实际滤波器的频率特性实际设计中所能得到的滤波器的频率特性与理想滤波器的频率特性之间存在着一些显著的差别，现以低通滤波器的频率特性为例进行说明。1）理想滤波器的特性：设滤波器输入信号为，信号中混入噪音，它们有不同的频率成分。滤波器的单位脉冲响应为。则理想滤波器输出为： （3-1）即噪音信号被滤除，而信号无失真只有延时和线性放大。对(3-1)式作傅里叶变换得： （3-2）假定

8、噪音信号被滤除，即 （3-3）将（3-3）式代入（3-2）式整理得：假定信号频率成分为：，噪音频率成分为。则完成滤波的理想低通滤波器特性是：图3 理想低通滤波器频率特性h(t)t图4 理性滤波器的单位脉冲响应() （3-4）即 系统的单位脉冲响应为： （3-5）理性低通滤波器的频率特性如图3所示，单位脉冲响应的波形如图4所示。2） 实际滤波器特性通 带阻带过渡带图5 实际滤器的频率特性理想滤波器具有非因果、无限长的单位脉冲响应和不连续的频率特性，要用稳定的线性时不变（LTI）系统来实现这样的特性是不可能的。工程上是用脉冲响应为有限长的、因果的、稳定的线性时不变系统或具有连续频率特性的线性时不变

9、系统来逼近理想特性。在满足一定的误差要求的情况下来实现理想滤波特性。因此实际的滤波器的频率特性如图5所示。其中截止频率阻带起始频率过渡带宽在通带内幅度响应以的误差接近于1，即为阻带起始频率，在阻带内幅度响应以小于的误差接近于零，即为了使逼近理想低通滤波器的方法成为可能，还必须提供一带宽为的不为零的过渡带。在这个频带内，幅度响应从通带平滑的下落到阻带。3.2二阶有源低通滤波器基础电路如图6所示图6 二阶有源低通滤波基础电路它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率时（ 为截止频率），电路的每级RC 电

10、路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为： 令8 称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率 则-3.（1)注 滤波电路才能稳定工作。4.单元电路设计、参数计算、器件选择=4.1压控电压源低通滤波器设计及参数计算将上式分母与表一归一化传递函数的分母多项式比较得： 通带内的电压放大倍数： 滤波器的截止角频率： 所以根据上

11、述推导公式可得： C的容量不易超过1uF 。因大容量的电容器体积大，价格高，所以选择10nF的电容。电路设计时应该使得,根据市场能买到的器件，则可以取，可以取，然后由中心频率计算公试,可以得出电阻，基本达到设计要求了。仿真电路图如下所示：图8 压控电压源低通滤波 5.电路组装及调试5.1压控电压源低通滤波电路 图9 压控电压源低通滤波器当输入的信号频率小于截止频率2000hz，其电路的增益为2.即其波形的峰峰值是两倍图10 6.总结与体会课程设计做了10天，我们学会了很多东西，培养了动手能力也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是

12、远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！7.参考文献1童诗白 华成英 编 模拟电子技术基础M 高等教育出版

13、社 20082彭介华 编 电子技术实验与课程设计M 高等教育出版社 20033. 青木英彦（日） 著 周难生 译 模拟电路设计与制作M 科学出版社 19984. 王港元 编 电工电子实践指导M 江西科学技术出版社 20005.徐发强等. RC二阶有源滤波器的新型实验方法J 现代电子技术,2008,26. 许素贞.杜群羊.吴海青 等 编 模拟电子技术基础与应用实例M.北京航空航天出版社 20047劳五一.劳佳. 编 模拟电子电路分析、设计与仿真M 清华大学出版社 20038.薛鹏骞等.频分复用有源滤波电路的EWB仿真设计【J】辽宁工程技术大学学报，2006，附录一 元件清单元件序号型号参数数量(个)电位器w2022K8电阻10K2电容1030.1UF7电容1040.01uf2电容0.22UF1芯片7412