有源低通滤波器的设计实习报告.docx
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有源低通滤波器的设计实习报告.docx
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有源低通滤波器的设计实习报告
课程设计报告
所属院系:
电气工程学院
专业:
自动化
课程名称:
电子技术基础A
设计题目:
有源低通滤波器的设计
班级:
自动化091
课程设计题目:
有源低通滤波器的设计
要求完成的内容:
设计一个有源低通滤波器。
技术指标要求为:
上限截止频率fH=1kHz,通带电压放大增益|Av|=2,在f=10fH时,幅度大于30dB。
使用的元器件要求为:
运算放大器(LM741或LM353),电容(瓷片电容),电阻
(瓦)等。
要求:
(1)根据设计要求,确定电路的设计方案,计算并选取电路的元件参数。
(2)分析、测量电路的相关参数,修改、复核,使之满足设计要求。
(3)综合分析计算电路参数,满足设计要求后,认真完成设计报告。
指导教师评语:
评定成绩为:
指导教师签名:
年月日
有源低通滤波器的设计
1.1滤波器的介绍
滤波器是信号处置的重要单元,在现代电子技术中取得了普遍的应用。
按处置信号的不同,滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器,模拟滤波器按组成元件的不同又可分为有源滤波器和无源滤波器。
低通滤波器是一个通太低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。
理想滤波器电路的频响在通带内应具有必然的幅值和线性相移,而在阻带内其幅值应为零。
有源滤波器是指由放大电路及RC网络组成的滤波电路,他事实上是一种具有特定频率响应的放大器。
滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速度越快,但RC网络节数越多,元件参数计算越繁琐,电路的调试越困难。
依照指标,本次设计选用二阶有源低通滤波器。
滤波器的用途:
滤波器要紧用来滤除信号中无用的频率成份,例如,有一个较低频率的信号,其中包括一些较高频率成份的干扰。
滤波进程如图2所示。
图滤波进程
低通滤波器的要紧技术指标:
(1)通带增益Avp
通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数,如图3所示。
性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的,阻带内的电压放大倍数基本为零。
(2)通带截止频率fp
其定义与放大电路的上限截止频率相同,见图3。
通带与阻带之间称为过渡带,过渡带越窄,说明滤波器的选择性越好
。
图LPF的幅频特性曲线
1.2设计方案
有源滤波器的设计,确实是依照所给定的指标要求,确信滤波器的阶数n,选择具体的电路形式,算出电路中各元件的具体数值,安装电路和调试,使设计的滤波器知足指标要求,具体步骤如下:
(1)依照阻带衰减速度要求,确信滤波器的阶数n。
(2)选择具体的电路形式。
(3)依照电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式,成立起系数的方程组。
(4)解方程组求出电路中元件的具体数值,并画出图形。
(5)安装电路并进行调试,使电路的性能知足指标要求。
2.电路的设计及参数的计算
.电路的设计
依照课程设要求,咱们选择巴特沃斯(Butterworth)滤波电路。
巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性,可是通带到阻带衰减较慢。
由于要求为-30dB/十倍频程,选择二阶有源低通滤波器电路,即n=2。
有源二阶低通滤波器电路如下图,其中的电容C原先是接地的,此刻接到输出端。
显然C的改接没有阻碍通带的增益。
压控电压源二阶滤波器电路的特点是:
运算放大器为同相接法,滤波器的输入阻抗很高,输出的阻抗很低,滤波器相当于一个电压源,其优势是电路性能稳固,增益容易调整。
电路图如下:
有源低通滤波器图
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f>>fc时(fc为截止频率),电路的每级RC电路的相移趋于-90º,两级RC电路的移相到-180º,电路的输出电压与输入电压的相位相反,故现在通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈,反馈信号将起着减弱输入信号的作用,使电压放大倍数减小,因此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,只许诺低频端信号通过。
.电路参数的计算
巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为:
,n=1,2,3,...
Butterworth的二阶归一化传递函数为:
H(s=1/(s*s+*s+1);它的化归一化传递函数能够表示成两个多项式的比:
A(s)(1–1)
其中Auo为通带内的电压放大倍数,ωC为截止角频率,Q为品质因子。
从
(1)式中可知,当ω=0时,
(1)式有最大值1;ω=ωC时,
(1)式等于,即Au衰减了3dB;
(1–2)
Av=1+R4/R3;(1–3)
电路元器件值:
Av
R1
R2
R3
R4
C1
2
C=
电阻单位为:
千欧
元件明细表:
序号
名称
数量
1
运算放大器LM741CN
1个
2
电阻
2个
3
电阻
1个
4
电阻
1个
5
电容
2个
6
电源
2个
为了取得相对应的电阻值,需要算出K值,用K值乘以相应的R′取得R;而
K=100/(fc*C)(1–4)
注释:
C以uf作为单位,fc以hz为单位。
K值不能太大,不然会使电阻的取值较大,从而使引入的误差增加,通常选择1《K《10.
3Multisim2001辅助设计及修正
仿真结果如图
Multisim2001仿真电路图
Multisim2001仿真频域图
仿真出来的成效达到设计要求。
示波器显示波形图
对安装好的电路按以下方式进行调整和测试
(1)认真检查装好的电路,确信元件与导线连接无误后,接通电源。
(2)在电路的输入端假设Vi=1V的正弦信号,慢慢改变输入的信号的频率(注意维持Vi的不变),用示波器观看输出电压的转变。
在滤波器的截止频率周围,观看电路是不是具有滤波特性,假设没有滤波特性,应检查电路,找出故障缘故并排除之。
(3)假设电路具有滤波特性,可进一步进行调试。
对低通滤波器应观测其截止频率是不是知足设计要求,假设不知足设计要求应依照公式,确信应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计要求又可不能对其它的指标参数产生阻碍。
然后观测电压放大倍数是不是知足设计要求,假设不达到要求,应依照有关公式调整有关的元件,使其达到设计要求。
通过测试设计值点电路板的结果,对电路板进行修正以达到设计要求。
设计指标:
fc=3khz,增益为Av=1,-40dB/十倍频程。
输入信号Vi=1V,观看滤波器的截止频率fc及电压放大倍数Av。
按要求理论测试结果应为:
在相对低频时,如fc1为100hz时,电压放大倍数为1;在fc=3khz时,Av=;大于3khz以后,每增大十倍频程,衰减为-40dB。
测试结果和幅频图分析
序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
fc
10
50
100
500
1000
1500
2000
2500
2700
Vo
Fc单位为:
hz
序
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
fc
2900hz
3000hz
3500hz
4Khz
5Khz
6Khz
8Khz
10khz
12khz
14khz
Vo
电路测试取得的输出电压和频率Vo~fc关系表如下:
它的频率特性曲线为图
图
通过上图可知,在输入频率为3khz之前,输出的电压值大于,即在低频段时Q值大于,衰减速度符合设计要求。
在输入频率为3khz时,衰减因子Q为左右。
大于3khz的时候,衰减的速度可能接近40dB,有些部份超过40dB。
实际的电路大体知足设计指标要求。
电阻R的稳固性可用相对误差△R/R表示,电容C的稳固性可用△C/C表示,由于R、C的不稳固引发中心角频率Wo的不稳固,Wo的稳固性用△Wo/Wo表示。
△Wo/Wo=(⊿㏑Wo/⊿R)×△R+(⊿㏑Wo/⊿C)×△C
因为㏑Wo=㏑1/(RC)=-(㏑R+㏑C),因此
△Wo/Wo=⊿[-(㏑R+㏑C)]/⊿R×△R+⊿[-(㏑R+㏑C)]/⊿C×△C=﹣△R/R﹣△C/C
由于△R/R、△C/C对频率fc的阻碍较大,因此实验参数与设计表中的关系式之间存在较大的误差。
因此进行理论误差和实际误差的意思不大。
课设目的不是误差分析,而是通过这次课程设计能够加深理论与实际的工程思维。
4.小结
通过本次课程设计,我对二阶有源低通滤波器有了更深刻的了解,对其构造组成及参数计算又有了更深一步的把握,专门是对滤波器的熟悉比以前更普遍。
尽管以前曾经接触过滤波器,但也只是只闻其名,不知其内涵,因此这次课程设计给了我一个机遇拓展知识,让我有机遇接触讲义中所谓的不重要的知识。
在这次设计中,我真正的体验到了认真做好一件事的充实,同时也熟悉到自己的过去是何等的空虚。
这次设计能够说是我的第一次认认真真的试探,电路的设计及参数的计算,都是通过自己的试探得出的,但仍是没有完全的成功,因为中间的很多内容是参考他人的。
因为大二这一学期是第一次接触电子,对其很多内容还不是太了解,因此一直提不起爱好学习电子,但这次的课程设计让我有了认真学习电子的决心。
要紧存在的问题:
对滤波器的熟悉仍是太浅,不能真正的了解其用途及其原理,从我前面的报告就能够够看出,我没有把有源低通滤波器完全的设计成功,中间还有很多漏洞。
因此真正的设计出一个自己的东西不是简单的事,但我会加倍尽力的学习,把握更全面更普遍的知识。
体会及收成:
把握了简单的有源低通滤波器的设计,初步了解了其用途及工作原理,学会了如何将学到的知识转化为自己的知识,学会了怎么更好的处置知识和实践相结合的问题。
明白了做一件事要一丝不苟,关于会显现的任何问题及误差都不容轻忽。
最后,不管做什么设计,理论知识是最重要的,没有了理论知识,就算是再怎么伶俐的头脑,最终仍会功亏一篑。
参考文献:
【1】康华光.电子技术基础(第五版).高等教育出版社2006
【2】谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版).华中科技大学出版社,2006。
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- 关 键 词:
- 有源 滤波器 设计 实习 报告
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