压控电压源型二阶有源低通滤波电路

实验六 自制RC 有源滤波电路一 实验目的1.掌握由运算放大器与电阻、电容构成的RC 有源滤波器的电路原理；2.掌握滤波器幅频特性的测试方法。

二 实验原理及实验参考电路滤波电路是一种选频电路, 它是一种能使有用频率的信号通过, 而同时对无用频率的信号进行衰减的电子装置。

本实验采用宽带集成运算放大器LF353和电阻、电容构成RC 有源滤波电子装置。

根据频率特性的基本知识可知, 滤波电路的阶数越高, 过渡带将越窄, 滤波特性越接近理想滤波器的滤波特性, 而高于二阶的滤波电路可以由一阶和二阶滤波电路构成, 本实验制作RC 二阶有源滤波电路。

1.压控电压源二阶低通滤波电路 电路如图1所示。

图 1 压控电压源二阶低通滤波电路实验电路中R1=R2=4.7k(, R3=1k(, R4=586(, C1=C2=10nF(涤仑电容103)。

电路传递函数为式中通带放大倍数341R R A up +=。

电压放大倍数为20)3()(1)(f f A j f f A f A up upu -+-=式中特征频率RCf π210=令 , Q 称为该滤波电路的品质因数。

电路的幅频特性与品质因数的取值相关, 如图2所示。

图2 压控电压源二阶低通滤波电路的幅频特性实验电路中通带放大倍数品质因数Q=1/（3-Aup ）=1/(3-1.586)=0.707, 称为巴特沃思滤波器, 电路的上限截止频率fH 则刚好等于特征频率f0。

图1所示电路中如果品质因数Q 1, 则电路的上限截止频率可大于特征频率。

由图2可知Q 大于1的幅频特性曲线的过渡带更陡, 幅频特性更好。

2.压控电压源二阶高通滤波电路 电路如图3所示。

586.110005861134=+=+=R R A up图3 压控电压源二阶高通滤波电路实验电路中R1=R2=56k(, R3=1k(, R4=586(, C1=C2=10nF(涤仑电容103)。

电路传递函数为上式中通带放大倍数341R R A up += 电压放大倍数为为使电路不产生自激振荡, 应使 即通带放大倍数 。

目录实验目的--------------－－--－--－----------------------－---－---------－------------－-------－---－---－-－-----－－－--－------- 3实验要求--－-－-－--－-------------－----－---－-－---－-－--－------－--－----－－--－---------－－--－--－-－-－-------－------－－-------- 3实验原理------－---------－－－--－－-----－-－----－--－－-----－-－------－-－-－----－--－------－---------－-----－－-－-－－－--------－-- 3滤波器基础知识简介---－--－----------－－-----－--－---------－--－----－--－-－--－----－-－----------------－-- 3有源低通滤波器（LPＦ）--－-－－---------－--－----－－-－--------－--------------－--------－------－-－-－--- 4二阶压控型低通滤波器-－--－-----－-－----－-----－---－－－--------－－－-－-－－-----－--------－-------－－-－-－－ 4实验设计－－-－--------－－------－-－--------------－-－----－－－-----－-－－-----－--－－-－----－---－－-------－－－－--－-－-------－--－--－- ５仿真分析--－-－---－---－--------－－----------－--－-－--－－－-----－－----－-－--－-------－--－－-－------－-－----------－----－-----－--- 6仿真电路----－----－--－----------－－－－------－------－-－--－-－-------－－-------－-----－－-－－--－---－-----－-－--－--－--－-－－---- 6实验结果-----－--－－--－-－-－--－-----－---－----－-－－-－-－--------－----------－----－---－--------－－－－--－－--－-----－------－-－- 7波特图仪显示-－--－－----－---－---－----－------------－－--------------－－－--－－-－－－------－--－------－-－--－-－－-----－－7AＣ交流分析显示-------－---－---------－－－--------－-－-－－------－-－-----－--－-－--－--------------－--－------- ９实验结果分析－-----－---－----－---－-－----－------－--－－－－－---－-－－-－---------------－－------－---－-----－--------－--－13理论计算－-----------－－---－---－-－－-－－－－---－-------－--------－------------－－－-－---－------－------－------－----－----－１3实验结果比较与分析－－－---－－--－----－-－--－-－--------－--－-----－-－-－---－--－----－－--－---------－--－-----－1３实验结论--－----－---－-------－-----－-－-－－－-－-----------－--－---－-------－－-－-－--－-－--－----－-－----－-----－--－－--－--－----－--- 14参考文献－－--－------－－-－----－---－--－-－-－------－--－－--------－－-－---－-----－-－-----－-----－-－----－----－-－---－-------－-－---－14实验目的：1、熟悉由集成运放和阻容元件组成的有源滤波器的原理；2、学习运用传递函数法分析有源滤波器的频率响应；3、学习RC有源滤波器的设计及电路调试方法;4、学习利用Multiｓim仿真软件进行电路仿真分析。

简单二阶有源低通滤波器电路及幅频特性为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RCo(1)通带增益当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。

它比一阶低通滤波器的滤波效果更好二阶LPF的电路图如图6所示，幅频特性曲线如图7所示。

1-(2)二阶低通有源滤波器传递函数根据图8-2.06可以写出丄“盘斗丄〕俯二一礎通常有，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数臥)—九…(3)通带截止频率将s 换成j 3,令3 0 = 2n f o=1/(RC)可得当f=fp时，上式分母的模="丿厶I VoZ与理想的二阶波特图相比，在超过fO以后，幅频特性以-40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。

但在通带截止频率fp -fO之间幅频特性下降的还不够快。

摘要设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，并利用MultisimIO仿真软件对电路的频率特性、特征参量等进行了仿真分析，仿真结果与理论设计一致，为有源滤波器的电路设计提供了EDA手段和依据。

关键词二阶有源低通滤波器；电路设计自动化；仿真分析；MultisimIO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。

从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。

高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。

采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。

压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级联。

本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，采用EDA仿真软件Multisim1O对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。

二阶压控电压源低通滤波器本文主要介绍了二阶压控电压源低通滤波器, 低通滤波器是一种典型的选频电路，在给定的频段内，理论上它能让信号无衰减地通过电路，这一段称为通带外的其他信号将受到很大的衰减，具有很大衰减的频段称为阻带，通带与阻带的交界频率称为截止频率，对滤波器的基本要求是：（1）通带内信号的衰减要小，阻带内信号的衰减要大，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恒为常数，以便于阻抗匹配。

本滤波器主要用于限制信号于一定频率内通过.主要芯片为UA741运放器.在制作过程中运用到了protel,EWB等软件,用来制作电路板和设计的仿真计算等.引言滤波器技术是现代技术中不可缺少的部分。

滤波器已大量渗入现代技术中。

很难想象一个稍微复杂的电子设备不使用这样或那样的滤波器。

在现代通信和信号处理方面，电话，电报，电视，无线电等只不过是以滤波器作为它们的重要部件的一些例子而已低通滤波器：在低频率规定的范围内才能通过信号，利用这一性质可以滤出干扰频率的信号，留下我们所需的频率高的信号。

它的用途很广泛，比较接近我们生活的有带通滤波器用于有线电视网的终端用户或单向用户处，其功能是用来屏蔽反向带宽，以避免单向用户的信号反馈，从而有效避免了网络中由于单向用户的信号反馈对整个双向网络的噪声影响，有效保证了双向网络的正常工作1 Protel设计技术Protel是Altium公司推出的电路CAD（计算机辅助设计）软件。

Protel DXP是该公司推出的最新一代板级桌面设计系统。

它是第一套基于Windows环境的设计软件，全部设计工具集成于同一环境下，全面支持网上大规模协同设计，使我们设计在更复杂的、多层次的、高频率、高速度、高密度的电路时更加快捷容易。

凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。

滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

压控电压源型滤波电路设计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。

从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。

高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。

采用集成运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。

压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多级放大器的级联。

本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，采用EDA仿真软件MulTIsim1O对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。

1 设计分析1．1 二阶有源滤波器的典型结构二阶有源滤波器的典型结构如图1所示。

其中，Y1～Y5为导纳，考虑到UP=UN，根据KCL可求得式（1）是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式，式中，Auf=1+Rf／R6。

只要适当选择Yi，1i5，就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。

1．2 二阶有源低通滤波器特性分析设Y1=1／R1，Y2=sC1，Y3=O，Y4=1／R2，Y5=sC2，将其代入式（1）中，得到压控电压源型二阶有源低通滤波器的传递函数为式（2）为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。

其中，n为特征角频率，Q称为等效品质因数。

2 二阶有源低通滤波器的设计2．1 设计要求设计一个压控电压源型二阶有源低通滤波电路，要求通带截止频率fo=100 kHz，等效品质因数Q=1，试确定电路中有关元件的参数值。

2．2 选择运放设计要求的截止频率较高，因此要求运放的频带较宽，选用通频带较宽的运放，本例选用运放3554AM，带宽为19 MHz，适合用于波形发生电路、脉冲放大电路。

摘要：设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，并利用Multisim仿真软件对电路的频率特性、特征参量等进行了仿真分析，仿真结果与理论设计一致，为有源滤波器的电路设计提供了EDA手段和依据。

关键词二阶有源低通滤波器；电路设计自动化；仿真分析；一：实验内容及要求：设计一个压控电压源型二阶有源低通滤波电路，要求通带截止频率fo=100 kHz，等效品质因数Q=1，试确定电路中有关元件的参数值。

二：实验器材软件：Multisim仿真软件。

器材：正弦波信号源（f=200KHz 幅度：1v）,电容两个，电阻四个，集成运放3554AM一个。

三：实验电路对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率信号通过。

理论计算 根据实际选择的元件参数重新计算滤波电路的特征参量。

式(2)中，令s=jω，得到二阶低通滤波电路的频率特性为Ao=1+6RfR =1+1=2 通带截止频率fo 与3 dB 截止频率fc 计算如下所以，fc=1.272fo=126.53KHz四 Multisim 分析4．1 瞬态分析从图可以看出，输出信号的频率与输入信号一致，输出信号与输入信号同频不同相，说明二阶低通滤波电路不会改变信号的频率。

电压放大倍数Auf=2。

4.2交流分析从图中可以看出， 3 dB截止频率约为127 kHz。

与理论计算值值基本符合。

4.3参数扫描分析从图可以看出，曲线从下至上对应的电阻RF由100 Ω至1000 Ω幅频特性纵截止频率约为125 kHz。

并且，RF越大，Auf越大，Q越大，幅频特性曲线越尖锐。

在同样的设计截止频率下，Q值的不同对实际截止频率有较大的影响。

4.4傅理叶分析由图可知，输出电压的谐波失真率很小，为 4.61229%，符合实验设计要求。

4.5传递函数分析由图可知，输入电阻Ri=239.44900G，输出电阻Ro=400.3851放大倍数Au=1.99971，符合设计要求.压控电压源二阶低通滤波电路的设计与仿真分析学院：电子信息工程学院年级：2008级专业：自动化学号：00824032姓名：魏文龙完成日期：2012年5月14日参考文献：1黄智伟，《基于Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》，电子工业出版社，2008年1月2童诗白华成英《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2006年1月3。

目录一题目规定与方案论证........................................................ 错误!未定义书签。

1.1（设计题题目）二阶有源低通滤波器............................................. 错误!未定义书签。

1.1.1题目规定.................................................................................. 错误!未定义书签。

1.1.2 方案论证................................................................................. 错误!未定义书签。

1.2（实训题题目）波形发生器与计数器............................................. 错误!未定义书签。

1.2.1题目规定.................................................................................. 错误!未定义书签。

1.2.2方案论证.................................................................................. 错误!未定义书签。

二电子线路设计与实现........................................................ 错误!未定义书签。

2.1二阶有源低通滤波器........................................................................ 错误!未定义书签。

2.2十位二进制加法计数器电路设计.................................................... 错误!未定义书签。

课程设计说明书课程设计名称：模拟电路课程设计课程设计题目：二阶低通滤波器的设计学院名称：南昌航空大学信息工程学院专业：通信工程班级：学号：姓名：评分：教师：2013 年03 月06 日模拟电路课程设计任务书2012－2013 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。

摘要有源滤波器是由工作在线性区的集成运放和RC网络组成，实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分。

本次实验根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路和无限增益多路反馈二阶有源低通滤波电路，用LM324系列芯片进行工作，内由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器组成，采用仿真软件Multisim12.0，对压控电压源型二阶有源低通滤波电路和无限增益多路反馈二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。

关键字：LM324，低通，滤波目录前言 (1)第一章系统设计方案选择 (2)1.1总方案设计 (2)1.2子框图的作用 (2)1.3方案选择 (3)第二章系统组成及工作原理 (4)2.1压控电压源二阶有源低通滤波器 (4)2.2无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器 (5)第三章单元电路设计、参数计算、器件选择 (6)3.1压控电压源二阶有源低通滤波器设计及参数计算 (6)3.2无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器的设计及参数计算 (6)第四章电路组装及调试 (8)4.1压控电压源二阶有源低通滤波器电路 (8)4.1.1调节方法 (8)4.1.2理论数据 (8)4.1.3实际测试数据 (8)4.1.4结果分析 (8)4.2无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器电路 (9)4.2.1调节方法 (9)4.2.2理论数据 (9)4.2.3实际测试数据 (9)4.2.4结果分析 (10)4.3实物图 (10)第五章总结 (11)参考文献 (12)前言早先的滤波器是由电器，电容和电阻构成的无源电路，然而电感的使用带来了许多问题：第一，电感的损耗比电容大得多，因而其品质因数错误！未找到引用源。

二阶有源低通滤波电路上图为DSP控制模板，AD采集部分的电路图，前面用的是精密隔离运放ISO124，而后面跟的正是二阶有源低通滤波电路！二阶有源低通滤波器如下图所示，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，如果只需要它的滤波功能，那就将同相放大接成跟随即可，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，带负载能力强。

注：为了我们下面的分析计算方便，我们这里选择的C1、C2、R值相等，实际使用过程中可以是不相等的，我们可以根据实际需要通过一些辅助设计工具来取合适的值。

根据“虚短”和“虚短”，同相比例放大电路的电压增益。

传递函数：（线性定常系统的传递函数，定义为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换和输入量拉氏变换之比）对于集成运放的同相输入端电压：而V a(s))(和s Vp 的关系为：对于节点A ，应用KCL 可得：联立上述的三个等式，可得电路的传递函数为：令则有其中的ωc 为特征角频率，也就是Q 为0.707时的3dB 截止频率，而Q 称为等效品质因素。

式9.3.4表明，Ao=Avf<3，才能稳定工作，当大于3时，电路将自激振荡。

用s=jw 带入式9.3.7，可得幅频响应和相频响应表达式：以上都是摘自模电书本上的解释，这里不免要联想到上面使用的伯德图，还有就是那个为什么Ao>3时就会自激振荡呢？先来看一看是不是如这个所说的，使用Multisim对其进行仿真，仿真电路如下：此处可以修改R3、R4的值来调节同相放大电路的增益当R3、R4都取1k时，输入以1kHz的正弦波信号，此为蓝色为channelA为输出，channelB为输入，可以看出波形还是正常放大还是保持R3、R4值不变，将输入信号变为50kHz,明显输出减小，说明滤波效果明显，频率高的被衰减了。

当我们取值R3、R4分别为1K、2K时，即Ao=Avf=3时，这是一种临界状态，在仿真图上可以看出输出波形开始出现振荡。

当取值为1K、3K时，即Ao=Avf=4时，此时的输出已经振荡的非常厉害，这也正符合上面讲到的放大电路增益相一致。