二阶低通滤波器
电子电路设计实践电子电路设计实践 设计题目设计题目二阶低通滤波器 系别系别电气工程学院专业专业电气工程及其自动化 班级班级电气一班姓名姓名 学号学号指导教师指导教师张全禹 时间时间2013 年 4 月 13 日 绥化学院电气工程学院绥化学院电气工程学院 目目录录 第一章第一章 设计任务与要求设计任务与要求 1.1 1.1 设计任务设计任务 1.21.2 设计要求设计要求 第二章第二章 设计方案设计方案 2.1 2.1 总方案设计总方案设计 2.1.1 2.1.1 方案框图方案框图 2.1.2 2.1.2 子框图的作用子框图的作用 2.1.32.1.3 方案选择方案选择 第三章第三章 设计原理与电路设计原理与电路 3.1 3.1 单元电路的设计单元电路的设计 3.1.1 3.1.1 原理图设计原理图设计 3.1.2 3.1.2 滤波器的传输函数与性能参数滤波器的传输函数与性能参数 3.2 3.2元件参数的计算元件参数的计算 二阶低通滤波器二阶低通滤波器 3.3 3.3 元器件选择元器件选择 3.4 3.4 工作原理工作原理 第四章第四章 电路的组装与调试电路的组装与调试 ProteusProteus 仿真图仿真图 第五章第五章 设计总结设计总结 附附 录录 元件清单元件清单 第一章第一章 设计任务与要求设计任务与要求 1.1 1.1 设计任务设计任务 设计一个二阶低通滤波器 1.21.2 设计要求设计要求 截止频率为 f 2KHz 第二章第二章 设计方案设计方案 2.1 2.1 总方案设计总方案设计 2.1.1 2.1.1 方案框图方案框图 RC 网络 放大器 反馈网络 图 2.1.1 RC 有源滤波总框图 2.1.2 2.1.2 子框图的作用子框图的作用 1.RC 网络的作用 RC 网络起着滤波的作用,滤掉不要的信号,通常由电阻和电容组成。 2.放大器的作用 电路中运用同相输入运放,输入阻抗高,输出阻抗很低。 3.反馈网络的作用 将输出信号的一部分或全部通过反馈网络分正、负反馈返回给输入端。 2.1.3 2.1.3 方案选择方案选择 一个理想的滤波器应在要求的通带内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外 则具有无穷大的衰减。然而实际的滤波器则一定差异,为此利用各种函数来逼近 理想滤波器的频率特性。 用运算放大器和 RC 网络组成的滤波器可以免除电感的非线性特性、磁场屏 蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。运算放大器的增益和输入电阻高,输入电阻 低,提供了一定的信号增益和缓冲作用,这种滤波器的频率范围约为 103Hz106Hz,频率稳定度可做到(103105)/摄氏度,频率精度为(35)。 1.运放 为了满足足够深的反馈以保证所需滤波特性,运放的开环增益应在 80dB 以 上。对运放频率特性的要求,由其工作频率的上限确定,设工作频率的上限为 fh,则运放的单位增益宽带应满足下式BWG 等于(35)Aefh。 2.元器件 从选电容器入,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 2.1.3 初选电容值。 表 2.1.3 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系 f f110 Hz C C2010F (10102) ( 102103( 110 )(10103) ( 102103 Hz)HzKHzKHz)KHz (100.1) (0.10.01( 104103( 103102(10210) uF)uF)pF)pFpF 第三章第三章 设计原理与电路设计原理与电路 3.13.1 单元电路的设计单元电路的设计 3.1.13.1.1 原理图设计原理图设计 1.低通滤波器 低通滤波器是用低频信号衰减或抑制高频信号。 如图 3.1.1(a)所示,为典型的二阶低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与 同相比例运算电路组成,其中第一级电容 C 接至输出端,引入适量的正反馈,以 改善幅频特性。 图 3.1.1(b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 图 3.1.1二阶低通滤波器 3.1.23.1.2 滤波器的传输函数与性能参数滤波器的传输函数与性能参数 该滤波器仅适用于低频范围,根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与 带阻四种滤波器,它们的幅频特性如下图所示,具有理想特性的滤波器是很难实 现的,只能用实际特性去逼近理想的。 1.滤波器的传输函数 表 3.1.2. 二阶低通滤波器的传输函数表 类型 低通 传输函数 高通 性能参数 电压增益 低、 高通滤波器的截止角 频率 带阻塞、 带阻滤波器的中 心角频率 BW带通、带阻滤波器的带宽 带通 2.单元电路性能参数 1 低通滤波器 二阶低通滤波器的通带增益 截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 品质因数, 它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特 性的形状。 3.2 元件参数的计算 3.2.1 二阶低通滤波器 二阶低通滤波器性能参数表达式为 ω C 2=1/(CC 1RR1) Q0.707 ω C/Q1/R1C1/R2C1AV/R2C1 A V1R4/R3 当 2 A up 3 时,Q1,在 A up 处的电压增益将大于 A up,幅频特性在 处。当≥3 时,Q∞,滤波器自激。由于将接到输出端,等于在 高频端加正反馈,所以在高频端的放大倍数有所抬高。 参数计算 设定低通滤波器的截止频率为 2KHz、品质因数 Q0.707, 设定 R1R2R,C1C2C;又根据截至频率,初步确定电容值 C1C2C0.1U,由 R1R20.796K,R3R44*R3,184K; 3.3 元器件选择 电阻的选择根据参数计算得的结果和市场上所出售的请况而选择,见 附录清单。 电容的选择根据电阻的确定和规定的截止频率而选择,见附录清单。 运放的选择本电路选择了八管脚的 LM358 单运放。 其管脚图如下 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器, 适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工 作条件下,电源电流与 电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增 益模组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用 运算放大器的场合。LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 内部频率补偿。 直流电压增益高约 100dB 。 单位增益频带宽约 1MHz 。 电源电压范围宽单电源330V;双电源1.5 一15V 。 低功耗电流,适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽,包括接地。 差模输入电压范围宽,等于电源电压范围。 输出电压摆幅大(0 至 VCC-1.5V 。 参数 输入偏置电流 45 mA 输入失调电流 50 mA 输入失调电压 2.9mV 输入共模电压最大值 VCC1.5 V 共模抑制比 80dB 电源抑制比 100dB 3.3 工作原理 滤波电路是一种能使有用频率通过, 同时