二阶滤波器课程设计

模拟电路课程设计报告
题目：模拟滤波器的设计
专业年级：2013级通信工程1班
组员：
指导老师：
2015 年12 月
目录
前言 (1)
第一章课程设计任务及要求 (1)
1.1设计任务 (1)
1.2设计要求 (1)
第二章系统组成及工作原理 (2)
2.1二阶压控电压源低通滤波器 (2)
2.2二阶无线增益多路反馈高通滤波器 (3)
第三章电路设计、参数计算 (3)
3.1二阶压控电压源低通滤波器设计及参数计算 (3)
3.2二阶无线增益多路反馈高通滤波器设计及参数计算 (4)
3.3二阶压控电压源带通滤波器设计及参数计算 (6)
第四章电路仿真及结果 (7)
4.1二阶压控电压源低通滤波电路仿真及结果 (7)
4.2二阶无线增益多路反馈高通滤波电路仿真及结果 (10)
4.3二阶压控电压源带通滤波电路仿真及结果 (12)
第五章电路原理图及PCB图 (14)
5.1二阶低通滤波器原理图及PCB图 (14)
5.2二阶高通滤波器原理图及PCB图 (15)
5.3二阶带通滤波器原理图及PCB图 (16)
第六章实验结论 (17)
第七章实验心得体会与总结 (18)
附录一元件清单 (18)
附录二实物图 (19)
前言
当今时代，随着科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和科学技术领域中占有不可或缺的核心地位。

同时在国家的事业中发挥了重大作用，只有科技才能使一个国家变得真正强大。

作为一名大学生不仅仅要努力学习理论知识，还要把理论运用到实践中去，做到学以致用。

滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。

滤波一般可分为有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。

本文根据实际要求设计三种滤波器，分别是二阶低通、高通、带通有源滤波器，采用Atlium Designer 和仿真软件Multisim13对二阶有源滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。

第一章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；
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
1、设计一个二阶压控电压源低通滤波器，要求截止频率fc=2kHz，增益Av=2。

2、设计一个二阶无限增益多路反馈高通滤波器，要求截止频率fc=100Hz,增益Av=5。

3、设计一个二阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率fo=1kHz,增益Av=2,品质因数Q=10。

第二章 系统组成及工作原理
2.1二阶压控电压源低通滤波器
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：
)()
()(i o s V s V s A =
2F F )()-(31sCR sCR A A V V ++=
令 F 0V A A = 称为通带增益
F 31
V A Q -=
称为等效品质因数
RC 1
c =
ω 称为特征角频率
则 2
c n
22
c 0)(ωωω++
=
s Q
s A s A
注：时
，即当 3 03 F F <>-V V A A 滤波电路才能稳定工作。

2.2二阶无线增益多路反馈高通滤波器
二阶有源高通滤波基础电路：
与压控电压源高通滤波电路类似，无限增益多路反馈滤波电路也是通过增加RC环节，使得滤波器的过渡带变窄，衰减斜率值加大，电路图如图所示。

在无限增益多路反馈电路中，运算放大器为反向输入接法，由于放大器的开环增益为无限大，反向输入端可以视为虚地，输出端通过C3、R2的连接，改善f0附近的频率特性，形成两条反馈支路，实现的一路反馈的效果，故称这种电路为无限增益多路反馈电路，其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节不太方便，对其他性能参数有一定的影响，其应用范围比压控电压源电路要小。

第三章电路设计、参数计算、器件选择
3.1二阶压控低通滤波器设计及参数计算
图 3.6.7 实验电路图图3.6.8 实验电路的幅频特性
3.2二阶无线增益多路反馈高通滤波器设计及参数计算
图 3.6.9 实验电路图图3.6.10 实验电路的幅频特性
3.3二阶压控电压源带通滤波器设计及参数计算
图 3.6.12 实验电路图图3.6.13 实验电路的幅频特性
第四章电路仿真及仿真结果
4.1二阶压控电压源低通滤波电路仿真及结果仿真电路图如下：
输入Ui为100mV时，f=300Hz时的仿真输出波形：
f=1kHz时的仿真输出波形：
f=2kHz时的仿真输出波形：
f=20kHz时的仿真输出波形：
4.2二阶无线增益多路反馈高通滤波电路仿真及结果仿真电路图如下：
输入Ui为100mV时，f=50Hz时的仿真输出波形：
f=100Hz时的仿真输出波形：
f=1kHz时的仿真输出波形:
4.3二阶压控电压源带通滤波电路仿真及结果
仿真电路图如下：
输入Ui为100mV时，f=1.3kHz时的仿真输出波形：
f=1.41kHz时的仿真输出波形：
f=1.52kHz时的仿真输出波形：
第五章电路原理图及PCB图5.1二阶低通滤波器原理图及PCB图
5.2二阶高通滤波器原理图及PCB图
5.2二阶高通滤波器原理图及PCB图
第六章实验结论
二阶低通滤波器：
频率f/Hz 输入Ui/mV 输出Uo/mV
500 100 250
1k 100 248
2k 100 222
3k 100 180
理论上,当输入电压为100mV时,f<2kHz=时，输出为输入的2倍即200mV，f=2kHz时,输出约为输入的1.4倍即141mV，f>2kHz时输出减小逐渐趋于0。

但实际上，经过我们不断地调试，使波形最好，在误差允许的范围内，最终根据上表格中的数据，算得增益大约为2.5，截止频率为3k左右。

误差可能的原因是元件的标称值和理论值存在的误差，以及仪器本身存在的误差。

二阶高通滤波器：
频率f/Hz 输入Ui/mV 输出Uo/mV
40 100 182
42 100 196
100 100 305
1k 100 288
理论上,当输入电压为100mV时,f>100Hz=时，输出为输入的5倍即500mV，f=100Hz时,输出约为输入的1.4倍即353mV，f<100Hz时,输出减小逐渐趋于0。

但实际上，测得增益约为3.05，截止频率为42Hz左右，基本符合高通滤波器特性。

在测量过程中，我们发现随着频率的升高，信号发生器的输出幅度在下降，出现滤波器的输入信号与输出信号同时下降的现象。

产生的原因可能是，由于信号源的输出幅度下降引起的。

我们还发现，测高频端电压增益时出现增益也下降的现象，经过查资料知，这主要是集成运放的高频响应或者截止频率受到限制所引起的。

第七章实验心得体会与总结
心得体会：
通过这次设计三种滤波器，我学到很多。

首先，运用公式及专业知识，对要求设计的参数进行计算；其次，灵活地运用仿真软件Multisim13，对计算出来的数据进行仿真，数据基本符合要求；然后，用Atlium Designer对实验电路做出PCB板，测量电阻，焊接；最后，连接信号源及示波器进行调试。

通过对数据的处理计算后，实验数据是基本符合要求的。

这次课程设计加强了我对自己专业的认识，就比如说，设计出来的电路在理论上是可行的，但是实际做出来的板子开始会没有波形出现，这时我们就根据滤波器的原理，不断地调试电阻，电容，使测得的数值，在误差允许的范围内，基本符合理论结果。

在仿真过程中，对Multisim13软件，本身存在的误差表示不解，设置信号源输出的幅度是100mV,而再连接示波器之后，却显示140mV，之后询问同学，说仿真软件本身也存在误差。

在电路调试的过程中，我们还遇到了很多问题，为了调试方便，我们采用的都是电位器，焊接时，器件的虚焊导致线路断路，通过用万用表的短接功能对电路进行测试等等。

所以在这次理论与实践相结合的设计中，我收获颇多。

总结：
通过本次课程设计，我认识到只有认真仔细地去琢磨每一个知识点，才能对所学的知识有更透彻地了解，如果理论知识不充足，是没有办法去执行实物的。

在实物操作的过程中，只有自己去动手做了，才能发现问题，通过去询问老师同学，再解决问题。

这些可能就是成功的关键。

附录一：元件清单
附录二：实物图。