简单二阶低通滤波器设计与仿真

成都理工大学核技术与自动化工程学院

电子技术课程设计

课题名称：二阶低通滤波器电路设计及分析

指导老师：蒋开明

姓名：

学号：

专业：电气工程及其自动化

日期：2010年6月16日

word文档 可自由复制编辑 二阶低通滤波器电路设计及分析

一、课题目的：

1、进一步掌握各种滤波电路的工作原理。

2、了解Multisim10的基本操作，并学会用Multisim10进行仿真设计。

3、学会对比并结合理论分析结果进行仿真软件分析。

4、锻炼实际动手能力，增强对课本知识的理解。

二、软件简介：

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

Multisim 10是IIT公司推出Multisim 20006年底又发布最新的版本。Multisim 10提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试

word文档 可自由复制编辑 等工作。当改变电路连接或改变元件参数，对电路进行仿真时，可以清楚地观察到各种变化对电路性能的影响。

图一 Multisim基本界面

三、原理：

由于一阶低通滤波器的幅频特性下降速率只有-20 dB／10 f，与理想情况相差太大，其滤波效果不佳。为了加快下降速率，使其更接近理想状态，提高滤波效果，我们经常使用二阶RC有源滤波器。采取的改进措施是在一阶的基础上再增加一节RC网络。

低通滤波器的设计与仿真

设计低通滤波器需要考虑以下几个方面：

1. 频率响应：低通滤波器的频率响应应该呈现出降低高频分量的特性。常见的频率响应形状包括巴特沃斯型（Butterworth）、切比雪夫型（Chebyshev）以及椭圆型（Elliptic）等。

2.通带衰减和阻带衰减：通带衰减是指滤波器在低频范围内将信号传递的衰减程度，而阻带衰减则是指滤波器将高频信号抑制的程度。一个优秀的低通滤波器要能够实现较低的通带衰减和较高的阻带衰减。

3.相位响应：滤波器的相位响应与滤波后的信号延迟有关。在一些应用中，信号的相位延迟会对系统的性能产生影响，因此需要对低通滤波器的相位响应进行合理设计。

设计滤波器的一种方法是使用模拟滤波器设计技术。在模拟滤波器设计中，可以使用模拟滤波器的传递函数、阶数以及频率响应形状等参数进行设计。根据设计的参数，可以利用电路设计工具进行滤波器的仿真和优化。最终得到满足要求的模拟滤波器电路。

另一种方法是使用数字滤波器设计技术。数字滤波器是通过数字信号处理的方法实现滤波效果的。在设计数字滤波器时，需要选择适当的滤波器类型（如FIR滤波器或IIR滤波器）、阶数、滤波器系数等参数。可以使用各种数学算法和信号处理工具进行仿真和优化，最终得到满足要求的数字滤波器。

在设计和仿真低通滤波器时，常用的工具有MATLAB、Simulink、SPICE等。这些工具提供了丰富的滤波器设计函数和可视化界面，可以方便地进行设计和仿真。 在进行滤波器设计和仿真过程中，需要注意选择适当的滤波器类型和参数。此外，还需要根据应用需求进行滤波器的性能优化和调整。通过设计与仿真，可以得到满足特定应用需求的低通滤波器，提高系统的性能和信号质量。

0 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：

① 无源滤波器:

由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成

② 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。

5.二阶无源低通滤波器

二阶低通滤波器设计

一：实验目的

.设计、焊接一个二阶低通滤波器，要求：截止频率为1KHz。

二：实验原理

利用电容通高频阻低频的特性，使一定频率范围内的频率通过。从而设计电路，使得低频率的波通过滤波器。

三：实验步骤

1：设计电路，在仿真软件上进行仿真，在仿真电路图上使功能实现。

2：先定电容，挑选合适的电阻，测量电阻的真实值，再到仿真电路

替换掉原来的电阻值，不断挑选电阻，找到最逼近实验结果的值

3：根据仿真电路进行焊接，完成之后对电路进行功能检测，

分别挑选频率为100hz，1khz，10khz的电源进行输入检测，观察输出的波形，并进行实验记录

四：实验电路

图1.1仿真电路设计

图1.4 f=100Hz 时正弦信号实测波形图

表1 f=100Hz时实测结果与仿真数据对比表

分析：由图1.3的仿真波形与图1.4的实测电路波形和表1中的数据可知，输入频率为100Hz的正弦信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有较小相位差和较小衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。 数据项目 输入幅值/V 输出幅值/V 衰减/dB 相位差

仿真电路 169.706 167.869 0.0945 0.018π

实测电路 0.468 0.440 0.0536 0π

图1.5 f=1kHz 时正弦信号仿真波形图

图1.6 f=300Hz 时正弦信号实测波形图

表2 f=1kHz时实测结果与仿真数据对比表

分析：由图1.5的仿真波形与图1.6的实测电路波形和表2中的数据可知，输入频率为1kHz的正弦信号时，该信号能够通过，输入输出波形间有一定的相位差和衰减。仿真和实测数据间存在误差，误差值较小，在允许范围内。

数据项目 输入幅值/V 输出幅值/V 衰减/dB 相位差

仿真电路 169.631 121.047 2.931 0.140π