二阶低通滤波器课程设计报告(昌航版)

1 课程设计说明书 课程设计名称： 模拟电子技术课程设计 课程设计题目： 二阶低通滤波器的设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 12 年 3 月 日 2

模拟电子技术 课程设计任务书 20 10 －20 11 学年 第 2 学期 第 1 周－ 3 周

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

题目 二阶低通滤波器的设计 内容及要求 （1）分别用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计电路 （2）截止频率kHz2fp (3) 增益2Av

进度安排 第1周：周一至周三查资料，完成原理图设计及仿真； 第1周：周四至第2周周二，完成系统的制作、调试； 第2周：周三设计结果检查。

学生姓名： 指导时间 指导地点： 楼 室 任务下达 20 年 月 日 任务完成 20 年 月 日 考核方式 1.评阅 □ 2.答辩 □ 3.实际操作□ 4.其它□ 指导教师 系（部）主任 3

摘要 低通滤波器是一个通过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具有一定幅值和线性相移，而在阻带内幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率相应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性的速率越快，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。根据指标，本次设计选用二阶有源低通滤波器。 该电路主要采用了uA741运放，并且在一阶的基础上增加一节RC网络，加大幅频特性衰减斜率，以达到在给定的频段内，让信号无衰减的通过电路，而通带外的其他信号将受到很大的衰减，从而提高滤波效率。

关键词：低通滤波器 集成运放uA741 RC网络 4

目录 前言·····················································5

第一章 设计任务······································6

1.1 课设题目···································6 1.2 设计内容与要求······································6

第二章 系统设计原理及方案选择 2.1 二阶有源低通滤波器的特点······························6 2.2 设计原理·································8 2.3 芯片选择：uA741CD························9 2.4 方案一 二阶压控电压源低通滤波电路·····················10 2.5 方案二 二阶无限增益多路反馈低通滤波电路··············11

第三章 单元电路设计与计算 3.1 二阶压控电压源低通滤波的设计························12 3.1. 1电路的选择········································12 3.1. 2电路元件参数的计算·····························12 3.2 二阶无限增益多路反馈低通滤波的设计······················14 3. 2.1电路的选择······································14 3. 2.2电路元件参数的计算·······························15

第四章 实验、调试及测试结果析 4.1 电路的安装·································15 4.2 电路的调试及测试结果分析························16

结论与体会·······································17

参考文献···········································18

附录一 电路原理图及仿真··································19

附录二 元件清单···········································20

附录二 UA741CD芯片原理图·····························21 5

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技术领域中占有不可或缺的核心地位。以前的三次工业革命就使我们的社会发生了翻天覆地的变化，使我们由手工时代进入了现代的电器时代。同时科技在国家的国防事业中发挥了重要的作用，只有科技发展了才能使一个国家变得强大。而作为二十一世纪的一名大学生，不仅仅要将理论知识学会，更为重要的是要将所学的知识用于实际生活之中，使理论与实践能够联系起来。 低通滤波器在现实生活中运用也十分的广泛。该种滤波器是只有在规定的低频率范围内才能使信号通过，而且其电路性能稳定，增益容易调节。利用这一性质不仅可以滤出有用信号通过且同时抑制无用信号。工程上也常常用低通滤波器作信号处理、数据传送和抑制干扰等。例如：无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射；固体屏障也是一个声波的低通滤波器，当另外一个房间中播放音乐时，很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉。 我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率虽然基本上满足现有各种电信设备。但从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。 6

第一章 设计任务 1.1 课设题目 二阶低通有源滤波器的设计与制作 1.2 设计内容与要求 一、基本要求 （1） 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路； （2）截止频率 kHz2fp； （3）增益2Av。

二、设计内容 (1)根据原理图分析电路的功能； （2）熟悉电路中所用到的 uA741CD芯片的管脚及其功能； （3）进行电路的焊接和调试，直到电路能够达到设计要求； （4）写出完整、详细的课程设计报告。 三、设计目标 （1）通带内信号衰减要小，阻带内信号衰减要尽量大，由通带过渡到阻带的衰减特性陡直上升； （2）通带内的特性阻抗要为常数，以便阻抗匹配。

第二章 系统设计原理及方案选择 2.1 二阶有源低通滤波器的特点： 7

（1）有源低通滤波器：容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过，而且通带放大倍数和频率特性并不随负载变化而变化。

（2）压控电压源二阶滤波电路的特点：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。

（3）无限增益多路负反馈二阶滤波电路的特点：运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。

（4）巴特沃思滤波器：所谓巴特沃思滤波器就是以巴特沃思近似函数作为滤波器的系统函数，该函数以最高阶台劳级数的形式来逼近理想矩形特性。巴特沃思滤波器一种幅度平坦的滤波器，即其幅频特性在直至衰减3dB的截至频率处几乎是完全平坦的，但在截止频率附近有峰起，对阶越响应有过冲和振铃现象，过渡带以中等速度下降，下降率为-6ndB/倍频程，其巴特沃思低通滤波器的幅度特性曲线如图1.1所示

图1.1归一化巴特沃思低通滤波器的幅度特性曲线 8

2．2 设计原理 （一）简单二阶低通滤波器是在一阶的基础上加入一节RC；二阶低通滤波器由两部分组成，上半部分是一个同相比例放大电路，由两个电阻R1，Rf和一个理想运算放 器(uA741CD)构成。下半部分是一个二阶RC滤波电路，由两个电阻R 及两个电容C构成。原理结构图如图2.1所示：

图 2.1 简单二阶低通滤波器 （二）有源滤波器的形式有好几种，本实验主要是巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计，

巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： ， n=1，2，3，. . . （1）

写成：

（2） 其中Auo为通带内的电压放大倍数，C 为截止角频率，n称为滤波器

ncuouAjA211)(







ncuouAjA21)(



 9

的阶。从（2）式中可知，当=0时，（2）式有最大值1 =C时，（2）式等于0.707，即Au衰减了3dB；n取得越大，随着的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性曲线。

当>>C时， （3） 两边取对数，得：

lg20cuounAjAlg20)( （4）

此时阻带衰减速率为： 20ndB/十倍频或6ndB/倍频，该式称为衰减估算式

对于二阶低通滤波器，其传递函数：222)(cccuousQsAsA （5）

归一化后的传递函数：

2.3 芯片选择：uA741CD uA741芯片是通用的高增益运算放大器，这类单片硅集成电路芯片提供输出短路保护和闭锁自由运作。而且还具有广泛的共同模式，

11)(2LLuoLusQsAsA

ncuo

uA

jA1)(