二阶有源低通滤波器(课程设计)要点.pdf

0 目录 一题目要求与方案论证 . 1 1.1（设计题题目）二阶有源低通滤波器. 1 1.1.1题目要求 1 1.1.2 方案论证 . 1 1.2（实训题题目）波形发生器与计数器. 4 1.2.1题目要求 4 1.2.2方案论证 4 二电子线路设计与实现 . 6 2.1 二阶有源低通滤波器 6 2.2 十位二进制加法计数器电路设计 7 三结果与分析 . 9 3.1 二阶有源低通滤波器 9 3.2 二位十进制加法计数器的实现 10 四 总结与体会 . 12 参考文献 . 13 1 一题目要求与方案论证 1.1 （设计题题目）二阶有源低通滤波器 1.1.1 题目要求 设计二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品 质因数 Q=0.707。分析电路工作原理，设计电路图，列出电路的传递函数，正确选择电路 中的参数。 1.1.2 方案论证 （1） ：对信号进行分析与处理时, 常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题, 这些噪声 有的是与信号同时产生的, 有的是传输过程中混入的。因此, 从接收的信号中消除或减弱 干扰噪声 , 就成为信号传输与处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性, 消除或减弱噪声 , 提取有用信号的过程称为滤波, 实现滤波功能的系统称为滤波器。 滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： 无源滤波器 : 由电感 L、电容 C及电阻 R等无源元件组成 有源滤波器 : 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于 集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲 作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和 噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及 控制技术中的小信号处理。 从功能来上有源滤波器分为： 低通滤波器（ LPF ） 、高通滤波器（ HPF ） 、 带通滤波器（ BPF ） 、带阻滤波器（ BEF ） 、 全通滤波器（ APF ） 。 其中前四种滤波器间互有联系，LPF与 HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止 频率高于 HPF的通带截止频率时， 将 LPF与 HPF相串联，就构成了 BPF ，而 LPF与 HPF 并联，就构成BEF 。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。 滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP 、 通带截止频率 fP 及阻尼系数 Q等。 工作原理： 二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路, 也是高阶虑波器的 基本组成单元。常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反 馈型和双二次型。本次课程设计采用压控电压源型设计课题。 2 有源二阶滤波器基础电路如图1 所示： 图1 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 f0 时（f0 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 sV sV sA 2 F F )()-(31sCRsCRA A V V 令 F0V AA称为通带增益 F 3 1 V A Q称为等效品质因数 RC 1 c 称为特征角频率 则 2 c n 2 2 c0 )( s Q s A sA 上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式 注：时，即当303 FFVV AA滤波电路才能稳定工作。 3 （2）芯片介绍： 产品型号： LM324N 1. 概述与特点 LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作， 但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域 中有广泛的应用。其特点如下： 具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V30V ，双电源± 1.5V±15V 内含相位校正回路 , 外围元件少 消耗电流小 :Icc=0.6mA (典型值, RL= ) 输入失调电压低 : ±2mV (典型值 ) 电压输出范围宽： 0V Vcc 1.5V 共模输入电压范围宽：0V Vcc 1.5V 封装形式： DIP14 图 2 LM324N 实物图 图 3 LM324N 管脚图 4 1.2 （实训题题目）波形发生器与计数器 1.2.1 题目要求 利用 74LS138以及两片 74LS195构成模值 28 的程序计数器，如CBA输入 111(8 分 频)时，QD 端输出 8 分频脉冲 1.2.2 方案论证 表 1.二位十进制加法计数器的状态表 计数脉冲数二进制数十进制数 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 2 3 0 0 1 1 3 4 0 1 0 0 4 5 0 1 0 1 5 6 0 1 1 0 6 7 0 1 1 1 7 8 1 0 0 0 8 9 1 0 0 1 9 10 0 0 0 0 进位 芯片介绍： LM324M ： 运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下， 电压范围是 3.0V-32V 或+16V。 LM324M的特点：短跑保护输出、真差动输入级、可单电源工作：3V-32V4.低偏置 电流：最大100nA（LM324A ） 、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模 范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。 图 4：LM324M 实物图 74LS90D ： 74LS90是二五十进制异步计数器， 从 000 计到 111 为例。先接成加法计数状态，在输出为1000 时（既 Q4为高电平 时）把 Q4输出接到 R01和 R02脚上（即异步置 0） ，此时当计数到 1000 时则立刻置 0， 从新从 0 开始计数。 1000的状态为瞬态。 状态转化图中是 0000 到 0111 是有效状态， 1000是瞬态，跳转从这个状态跳回到 5 0000状态。 （1） 计数脉冲从 CP1输入， QA作为输出端，为二进制计数器。 （2） 计数脉冲从 CP2输入， QDQLQH作为输出端，为异步五进制加法计数器。 （3） 若将 CP2和 QA相连，计数脉冲由CP1输入， QD 、QC 、QB 、QA作为输出端， 则构成异步 8421 码十进制加法计数器。 （4） 若将 CP1与 QD相连，计数脉冲由CP2输入， QA 、QD 、QC 、QB作为输出端， 则构成 异步 5421 码十进制加法计数器。 （5） 清零、置 9 功能。 a) 异步清零 当 R0 （1） 、R0 （2）均为“ 1”； S9（1） 、S9（2）中有“ 0”时，实现异步清零功 能，即 QDQCQBQA=0000。 b) 置 9 功能 当 S9（1） 、S9（2）均为“ 1”； R0 （1） 、R0 （2）中有“ 0”时，实现置9 功能， 即 QDQCQBQA =1001. 图 5：74LS90D管脚图图 6：74LS90D真值表 74HC4511 ： 图 7：74HC4511引脚图 6 二电子线路设计与实现 2.1 二阶有源低通滤波器 我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求截止频率 f0=1000HZ；通带内电压放 大倍数 A0=15，品质因数 Q=0.707。 由 VF A Q 3 1 =0.707 可以求得 VF A ，所以低通滤波器的通带电压增 VF AA0 =1.586 选择 C=82nF,选择标准电阻 R=9.09 K，Rf=2.55 K。 要使A0=15, 则还须再接一个放大电路，使得一级输出被放大9.43 倍，则总增益达 到 15 左右。 设计仿真电路如图： 图 8 二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图 7 2.2 十位二进制加法计数器电路设计 根据题目要求利用Multisim软件画出如下的电路图： R4 10k R1 20k VCC 5V U4A LM324M 3 2 11 4 1 VEE -5V R5 2.0k D2 02DZ4.7 R21 200K _LIN Key = Space 35% C2 1.0uF U4B LM324M 5 6 11 4 7 VCC 5V R3 10k VEE -5V XSC1 AB G T U2 A B C D E F G CA U3 A B C D E F G CA R12 300 R13 300 R14 300 R15 300 R16 300 R17 300 R18 300 R9 300 R2 300 R6 300 R7 300 R8 300 R10 300 R11 300 U5 4511BP _5V D A 7 D B 1 D C 2 D D 6 O A 1 3 O D 1 0 O E 9 O F 1 5 O C 1 1 O B 1 2 O G 1 4 E L 5 B I 4 L T 3 U6 4511BP _5V D A 7 D B 1 D C 2 D D 6 O A 1 3 O D 1 0 O E 9 O F 1 5 O C 1 1 O B 1 2 O G 1 4 E L 5 B I 4 L T 3 VCC 5V U1 74LS90D Q A 1 2 Q B 9 Q D 1 1 Q C 8 I N B 1 R 9 1 6 R 9 2 7 R 0 1 2 I N A 1 4 R 0 2 3 U9 74LS90D Q A 1 2 Q B 9 Q D 1 1 Q C 8 I N B 1 R 9 1 6 R 9 2 7 R 0 1 2 I N A 1 4 R 0 2 3 S1 Key = Space R19 300 图 9 仿真图电路图 根据仿真电路的电路图设计出如下的布线图： 图 10 十位二进制加法计数器电路模拟电路图 8 根据布线图焊接了电路板如下图所示： 图 11 二位十进制加法计数器焊接电路板 9 三结果与分析 3.1 二阶有源低通滤波器 图 12 二阶有源低通滤波器仿真波形图（1） 分析上图知电路的截止频率在989HZ 左右，与题目要求稍微有点偏差，这是由于电阻和电容的设 置存在偏差及兼顾通带内电压放大倍数引起的，在误差允许的范围之内。 图 13 二阶有源低通滤波器仿真波形图（2） 所加输入信号的有效电压Vi=120mv, 波形入 Channel-A 所示 ;输出电压波形入Channel-B 所示，其最 大电压约为2.570V ，故输出电压的有效电压值Uo=2.570 x 0.707 =1816.99(mv); 由以上分析知通带内电 压放大倍数A0=Uo/Vi=15.14, 和题目要求存在极小偏差，在误差允许的范围之内。 综上所分析得知我组所设计的二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图符合题目要求，是正确 的。 10 3.2 二位十进制加法计数器的实现 图 14 二位十进制加法计数器仿真波形图 图 15 仿真过程图 11 表 2.误差分析： 可变电阻值80 k100 k 示波器周期格数 6.8 4 周期仿真值 340ms 400ms 总结： 通过实验的数据得出结论，当可变电阻的值增加时，周期变大；当可变电阻的值减小 时，周期减小。数值的误差范围在测量允许范围内。 误差原因分析： （1）电路板上元件的阻值与实际的电阻值有一点的误差，得到的结果与计算结果有不同。 （2）电路板焊接时对元器件有了一点的影响。 （3）读数时有偏差，连接示波器时的元件的具体频率值与电阻值都直接取了整数，并不 是原来的那个值。因此在具体周期的计算值上也有不同。 （4）焊接点与线也有一定的电阻。 12 四 总结与体会 实习了两个星期的，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！ 13 参考文献 1康华光，北京：高等教育出版社，2006.1 2 邵毅全 马耀庭 SHA等，二阶有源低通滤波器设计与仿真研究。学术期刊（激光杂志） 2009 年 3 期 3 朱达群 , 施围著，电子电气电路仿真。中国电力出版社 2009 4 郑君里等编著，信号与系统。高等教育出版社 2000