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1、电子技术课程设计报告二阶 RC 有源滤波器的设计）目录第一章 设计任务与要求31.1 设计任务31.2 设计要求3 第二章 设计方案32.1 总方案设计32.1.1 方案框图32.1.2 子框图的作用32.1.3 方案选择4 第三章 设计原理与电路63.1 单元电路的设计63.1.1 原理图设计63.1.2 滤波器的传输函数与性能参数83.2 元件参数的计算103.2.1 二阶低通滤波器103.2.2 二阶高通滤波器103.2.3 二阶带通滤波器103.2.4 二阶带阻滤波器113.2 元器件选择113.3 工作原理12 第四章 电路的组装与调试124.1 MultiSim 电路图134.2
2、MultiSim仿真分析15第五章 设计总结19 附 录20附录I 元件清单20附录II Protel原理图 20附录III PCB图（正面）21附录W PCB图（反面）22参 考 文 献23第一章 设计任务与要求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（低通、高通、带通、带阻）；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、分别设计二阶RC低通、高通、带通、带阻滤波器电路，计算电路元件参 数，拟定测试方案和步骤；2、在 multisim 里仿真电路，测量并调整静态工作点；3、测
3、量技术指标参数；4、测量有源滤波器的幅频特性；5、写出设计报告。第二章 设计方案2.1 总方案设计2.1.1方案框图图 2.1.1 RC 有源滤波总框图2.1.2 子框图的作用1 RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉不需要的信号，这样在对波形的 选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。2 放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3 同相放大器 具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。3反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈，其中的 电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。2.1.3 方案
4、选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤波器 应在要求的频（通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。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采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网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。因为不 用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和 重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输入电阻低，所以能 提供一定的信号增益和缓冲作用，这种滤波器的频率范围约为10-3Hz106Hz, 频率稳定度可做到（10-31010-5）/摄氏度，频率精度为+（35）%，并可用 简单的
5、级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元 器件。滤波器等的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没 有特殊的说明时一般为-3dB截止频率），通带传输系数。阻带指标为带外传输系数的衰减速度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。1. 关于滤波器类型的选择 一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性 要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏 感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽 时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比单纯用带通滤波器要好2
6、. 级数选择 滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或 高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高 通电路可获得T2dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接 时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为 -mdB 每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6（或n 大于等于m/20）。3. 运放的要求 在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。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
7、Fh,则运放的单位增益 宽带应满足下式：BWG大于等于（3-5） AefH，式中为滤波通带的传输系数。如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。 如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100kQ，则应 选低漂移高输入阻抗的运放。4. 元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率fc （sc）带内增益Av,以及品质因 数Q （二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件 数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要 求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容 标称值的分档较少，电容难配，而
8、电阻易配，可根据工作频率范围按照表1.1.3 初选电容值。表1.1.3滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系f(110)Hz(10102)Hz(102103)Hz(110) KHz(10103)KHz(102103)KHzC(2010)F(100.1) uF(0.10.01) uF(104103)pF(103102)pF(10210) pF第三章设计原理与电路3.1单元电路的设计3.1.1原理图设计1. 低通滤波器低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图3.1.1.1 (a)所示，为典型的二阶有源低通滤波器。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，
9、引入适量的正反 馈，以改善幅频特性。图3.1.1.1 (b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。电路團频坐馬性图3.1.1.1二阶低通滤波器2. 高通滤波器高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。将图3.1.1.1低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶 有源高通滤波器，如图3.1.1.2(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反， 其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系。图3.1.1.2 (b)为二阶高通滤波器幅频特性曲线。图3.1.1.2二阶高通滤波器3. 带通滤波器带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带 下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或
10、抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图 3.1.1.3 (a)所示。本电路的优点是改变R和R的比例就可改变频宽而不影响 f4中心频率。图3.1.1.3 (b)为二阶高通滤波器的幅频特性曲线。【a屯路團幅顾特性图3.1.1.3二阶带通滤波器4. 带阻滤波器带阻滤波器和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过(或受到 很大衰减或抑制)，而在其余频率范围，信号则能顺利通过。典型的带通滤波器可以在双T网络后加一级同相比例运算电路构成。如图 3.1.1.4 (a)所示。图3.1.1.4 (b)为二阶带阻滤波器的幅频特性曲线。(a)电路圈频率特拄图3.1.1.4二阶
11、带阻滤波器3.1.2滤波器的传输函数与性能参数由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一 定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号，因受运算放 大器带宽限制，这类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，常用的逼近方法是巴特沃斯 最大啊平坦响应和切比雪夫等波动响应。在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应 较好，如果给定带内所允许的纹波差，则切比雪夫响应较好。1.滤波器的传输函数表3.121二阶RC滤波器的传输函数表类型传输函数性
12、能参数低通4- J + 詔九电压增益高通F +j + 就 低、高通滤波器的截止角频率武R带通%带阻塞 带阻滤波器的中心角巾1阻塞、巾1阻滤波器的中心角频率带阻八叫+尿QBW巾通、巾阻滤波器的巾宽2.单元电路性能参数(1) 低通滤波器叫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。(2) 咼通滤波器二阶高通滤波器的通带增益截止频率，它是二阶高通滤波器通带与阻带的界限频率。品质因数，它的大小影响高通滤波器在截止频率处幅频特 性的形状。(3)带通滤波器A十陽通带增益f0- 1 | L2(X + 1 )中心频率0
13、R】R3异一阳)通带宽度C叫耳尺且Q 叫选择性B(4)带阻滤波器通带增益nil中心频率 带阻宽度 B = 2 (2A ) fup0选择性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3 2=1/ (CCRR )(3.2.1.1)C11Q=0.7073 /Q=1/R C+1/R C+(1+A )/R C (3.2.1.2)C12V 21A=1+R /R (3.2.1.3)V433.2.2 二阶高通滤波器二阶高通滤波器性能参数表达式为3 2=1/ (CCRR )(3.2.2.1)C11Q=0.7073 /Q=1/RC+1/RC+(1+A)/RC (3.2.2.2)C12V 2 1AV=1+R/R (3.2.2.3)433.2.3 二阶带通滤波器二阶带通滤波器性能参数表达式为3 2=(1/R+1/R)/RC2(3.2.3.1)C
