模拟电子专业课程设计.doc

长 沙 学 院

课程设计说明书

题目
有源低通滤波器电路设计
系(部)
电子和通信工程系
专业(班级)
XX一班
姓名
XXX
学号
XXXXXXXX
指导老师
XXX
起止日期
.12.19-.12.23

模拟电路课程设计任务书
一．设计题目
有源低通滤波器电路设计
二．技术参数和设计要求
1. 技术参数
设计一个能阻挡高频信号，输出低频信号有源低通滤波电路；
2. 设计要求
（1） 依据技术参数设计电原理图;
（2） 计算并选择电路元件及参数(含电源变压器)；
（3） 仿真调试电路；举例说明所设计有源高通滤波器广泛应用，简明说明电路工作原理。
（4） 撰写设计说明书。

三．设计工作量
设计时间一周，下学期进行。
四．工作计划
星期一：部署设计任务，查阅资料；
星期二~星期三：设计方案论证，进行电路设计，计算并选择电路元件及参数；
星期四：仿真调试电路
星期五：撰写设计汇报书，进行部分答辩。
五．参考资料
1． 彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997；
2． 高吉祥，《电子技术基础试验和课程设计》，北京：电子工业出版社，；
3． 童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988；
4． 康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，
5． 本课程教材
六．指导老师
XXXXXXXXXXXXXXXX
七．系部审批

长沙学院课程设计判定表
姓名

学号

专业
光电信息工程
班级
光电一班
设计题目
有源低通滤波器电路设计
指导老师

指导老师意见：

评定等级： 老师署名： 日期：
答辩小组意见：

评定等级：　　　　　答辩小组长署名：　　　　　日期：　　　　
教研室意见：

教研室主任署名： 日期： 　
系（部）意见：

系主任署名：　　　　　　　　日期：　　　　　
说明
课程设计成绩分“优异”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；

目录

引言 ……………………………………............5
※一 设计任务和要求…………………………5
1.1 设计任务……………………………………………………5
1.2 设计要求……………………………………………………6
※二 试验经过…………………………………6
2.1 试验原理………………………………………………….…6
2.2 试验步骤…………………………………………………….7
2.2.1滤波器选择…………………………………………………….7
2.2.2 一阶低通有源滤波器……………………...……………………..8
2.2.3 二阶低通有源滤波器.................................10
2.3工作原理及电路图原理图和PCB图…………………..…13
※三 低通滤波器在生活中应用…………..14
3.1在焊接中应用...................................14
※四 试验总结………………………………..15
参考文件............................................................16

引言
对信号进行分析和处理时, 常常会碰到有用信号叠加上无用噪声问题, 这些噪声有是和信号同 时产生, 有是传输过程中混入。所以, 从接收信号中消除或减弱干扰噪声, 就成为信号传输和处理中十分关键问题。依据有用信号和噪声不一样特征, 消除或减弱噪声,提取有用信号过程称为滤波, 实现滤波功效系统称为滤波器。
滤波器功效就是许可某一部分频率信号顺利地经过，而另外一部分频率信号则受到较大抑制，它实质上就是一个选频电路，所以滤波器也称为选频装置。工程上常见它来作为信号处理、数据传送 和抑制干扰等，广大应用于通信、电子工程、仪器仪表等领域。
滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两种： ① 无源滤波器:② 有源滤波器:
  通常由集成运放和RC网络组成，它含有体积小、性能稳定等优点，同时，因为集成运放增益和输入阻抗全部很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大和缓冲作用。利用有源滤波器能够突出有用频率信号，衰减无用频率信号，抑制干扰和噪声，以达成提升信噪比或选频目标，所以有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中小信号处理。
从功效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）。
对于有源滤波器，通带内信号不仅没有能量损耗。而且还饿能够放大，负载效应不显著，多级相联时相互影响很小，利用级联简单方法很轻易组成高阶滤波器，而且滤波器体积小，重量轻、不需要磁屏蔽（因为使用电感元件）；不过其通带范围受有源器件（如集成运放放大器）带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率场所不适合。
通常还能够根据有源滤波器传输函数分母中S最高指数分为一阶、二阶和高阶滤波器，滤波器阶数是指在滤波器传输函数中有多个极点，阶数同时也决定转折区下降速度，通常每增加一阶（一点极点），就会增加—20dB每十倍频程。
低通滤波器是一个经过低频信号而衰减或抑制高频信号部件。理想滤波器电路频响在通带内应含有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及RC网络组成滤波器电路，它实际上是一个含有特定频率响应放大器。滤波器阶数越高，幅频特征衰减速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。依据指标，此次设计选择二阶有源低通滤波器。
课程设计是理论联络实际关键实践教学步骤，是对学生进行一次综合性专业设计训练。此次课程设计关键重视是电子电路设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体一门课程，意在培养学生正确设计思想方法和思绪，理论联络实际工作作风，严厉认真、实事求是科学态度,培养学生综合利用所学知识和生产实践经验，分析和处理工程技术问题能力。作为一名大学生不仅需要扎实理论知识，还需要过硬动手能力，所以认真做好课程设计，对提升我们动手能力有很大帮助做到。

※一、 设计任务和要求
1.1 设计任务
1. 学习有源低通滤波器设计方法；
2. 由滤波器设计指标计算电路元件参数；
3. 设计二阶RC有源低通滤波器；
4. 掌握有源低通滤波器测试方法；
5. 测量有源低通滤波器幅频特征。
1.2 设计要求
1. 依据技术参数设计电原理图;
2. 计算并选择电路元件及参数；
3. 仿真调试电路；举例说明所设计有源低通滤波器广泛应用，简明说明电路工作原理；
4. 撰写设计说明书。

※二、 试验经过
2.1 试验原理
低通滤波器(low-passfilter)是许可低于截至频率信号经过， 但高于截止频率信号不能经过电子滤波装置。
对于不一样滤波器而言，每个频率信号减弱程度不一样。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。
低通滤波器概念有很多不一样形式，其中包含电子线路（如音频设备中使用hiss 滤波器、平滑数据数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等，这两个工具全部经过剔除短期波动、保留长久发展趋势提供了信号平滑形式。
低通滤波器在信号处理中作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起作用； 低通滤波器有很多个，其中，最通用就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。
滤波器关键功效就是许可某一部分频率信号顺利地经过，而另外一部分频率信号则受到较大抑制，它实质上是一个选频电路，所以滤波器也称为选频装置，工程上常见它用来作信号处理、数据传送及抑制干扰等，广泛应用于通信、电子工程、仪器仪表等领域。
在滤波器中，通常把能够经过频率范围，或信号幅度不衰减或只有许可程度衰减频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减，或完全被抑制频率范围称为阻带，通带和阻带之间分界频率为截止频率。
理想滤波器电路在通带内应含有零衰减幅频响应和线性相频响应，而在阻带内应含有没有限大幅度衰减。依据通带和阻带所处频率区域不一样，通常将滤波器分成四类：
（1）低通滤波器
就是低频信号能经过，而高频信号不能经过滤波器。它通带由零到某一特定上限频率，即0≤≤；阻带由到无穷大。
（2）高通滤波器
和低通滤波器相反，就是只许可高频信号经过，而低频信号经过滤波器。通带在大于某一特定下限频率高频区，即≥；阻带在零到低频区。
（3）带通滤波器
它通带在两个有限频率、之间，即通带为≤≤。通带两侧全部是阻带。
（4）带阻滤波器
和带阻情况相反，它阻带在两个有限频率之间，即阻带为≤≤。阻带两侧全部为通带。
通带衰减为零，阻带衰减为无穷大，从零衰减到无穷大衰减之间没有过渡，这是理想滤波器特征，这种特征是不可实现。实际滤波器通带，尤其是靠近截止频率频率频域往往有一定衰减；一样，它阻带，尤其是靠近截止频率处衰减也不是无穷大。或说在零衰减和无穷大衰减之间总是存在着一个过渡带。在实际设计滤波器时，应使其频率特征尽可能靠近理想特征。
另外，当考虑滤波器物理试验时，依据所采取元器件不一样，将滤波器分为一下两类。
一类是由电阻、电容、电感组成，不含有源器件，称为无源滤波器。无源滤波器电路比较简单，高频性能好，多用在高频域。缺点是通带信号有能量损耗，负载效应比较显著，或滤波器性能虽负载改变较大，高阶情况下调整比较困难。另外因为使用了电感，体积和重量比较大，在低频更是如此，不能用在超低频域。
另一类是由电阻、电容和有源器件（如集成运算放大器）组成，称为有源滤波器。有源滤波器因为采取了有源放大器，不仅能够补充无源网络中能量损耗，还能够依据要求提升信号输出功率。在使用运算放大器作为有源器件滤波器中，因为运算放大器有很多优点，电路含有体积小、精度高、性能稳定、易于调试等特点。另外，因为运算放大器有高输入阻抗、低输出阻抗特点，多级相联时相互影响很小，能够用低阶滤波器级联简单方法组成高阶滤波器，且负载效应不显著。有源滤波器限制关键是运算放大器固有特征限制，通常来说她不适适用于高压、高频、大功率场所，而比较适适用于低频和超低频应用。
2.2 试验步骤
2.2.1滤波器选择
1. 相关滤波器类型选择
一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，通常在对带外衰减性要求不高场所下选择。无限增益多环反馈型滤波器特征对参数改变比较敏感，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. 级数选择
滤波器级数关键依据对带外衰减特殊性要求来确定。每一阶低通或高通电路可取得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）衰减，每二阶低通或高通电路可取得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）衰减。多级滤波器串接时传输函数总特征阶数等于各级阶数之和。当要求带外衰减特征为-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. 运放要求
在无特殊要求情况下，可选择通用型运算放大器。为了满足足够深反馈以确保所需滤波特征，运放开环增应在80dB 以上。对运放频率特征要求，由其工作频率上限确定，设工作频率上限为Fh,则运放单位增益宽带应满足下式：BWG大于等于（3-5）AefH，式中为滤波通带传输系数。
假如滤波器输入信号较小，比如在10mV以下，则选低漂移运放。假如滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件值超出100kΩ，则应选低漂移高输入阻抗运放。
4. 元器件选择
通常设计滤波器时全部要给定截止频率fc (ωc)带内增益Av，和品质因数Q（二阶低通或高通通常为0.707）。在设计时常常出现待确定其值元件数目多于限制元件取值参数之数目，所以有很多个元件均可满足给定要求，这就需要设计者自行选定一些元件值。通常从选定电容器入手，因为电容标称值分档较少，电容难配，而电阻易配，可依据工作频率范围根据表1.1.2初选电容值。

表1.1.2 滤波器工作频率和滤波电容取值对应关系
f
(1~10)Hz
（10~102）Hz
（102~103）Hz
（1~10）KHz
（10~103）KHz
（102~103）KHz
C
(20~10)F
（10~0.1）uF
（0.1~0.01）uF
（104~103）pF
（103~102）pF
（102~10）pF

2.2.2一阶低通有源滤波器
图为我设计一阶RC低通有源滤波器，当运算放大器特征理想时，电路传输函数为
令滤波器截止角频率，通带增益。
用jω替换式中s得对应频率特征，式中称为滤波器截止频率。由该式可得滤波器幅频特征和相频特征。

经计算，该电路图=500赫，下图是它频率特征图

下图是她波形图截图

一阶滤波器电路即使简单，但其滤波效果不好。由低通滤波器电路幅频特征可知，当后，滤波器输出并不立即衰减为零，而是以20dB/十倍频速率下降。若要求幅频特征曲线在高频段以更大衰减速度下降，就需要采取二阶，三阶或更高阶滤波器。通常情况下，高阶滤波器也能够用低阶滤波器级联而成。

2.2.3 二阶低通有源滤波器
二阶RC低通有源低通滤波器电路图

由基尔霍夫定律可得
其中特征角频率，
令可得

由公式可知，当初，；当初，；电路含有低通滤波器特征，且和频率二次方相关，所以我所设计电路为二阶低通滤波器。
当初
,即
由该式可知,Q值就是当初，滤波器电路电压放大倍数模和通带增益比值。滤波器特征不仅和频率相关，还和电路品质特征相关。
下面四图是Q取不一样值时，所得仿真图

品质因数=0.7407

下图是它波形图截图

当初，滤波器幅频特征有峰值，且Q值越大，尖峰越高。当初，电路将产生自激振荡，这种幅频特征有欺负滤波器称为切比雪夫型滤波器。这种滤波器即使在通带有起伏，但在过渡带衰减速度较快。
当初，幅频特征不出现峰值，但Q值越小，幅频特征下降越早。
是一个临界值，超出该值时出现峰值，小于该值时幅频特征下降加剧。当等于该值时所得幅频特征是最平坦，既无峰值，在频域下降量又最小。通常将Q值等于对应滤波器称为最大平坦滤波器，或巴特沃斯型滤波器。
二阶低通滤波器幅频特征在过渡带内以40dB/十倍频速率衰减，它滤波效果比一阶电路好得多。
2.3工作原理及电路图原理图和PCB图
滤波电路是一个能使有用频率经过，同时抑制无用成份电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可组成有源滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定放大能力和带负载能力。因为受到集成运算放大器特征限制，有源滤波器关键用于低频场所。有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。低通滤波电路指低频信号能经过而高频信号不能够经过电路，高频滤波电路则和低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段信号能经过而该频段之外信号不能经过电路，带阻滤波器和带通滤波器相反，即在要求频带内，信号不能经过（或受到很大衰减或抑制），而在其它频率范围，信号则能顺利经过。

下图为二阶低通电路原理图及PCB图

二阶低通电路原理图

PCB图
※三 低通滤波器在实际生活中应用
3.1在焊接中应用
CO2焊过程控制
为了对CO2焊短途经渡过程进行控制,能够采取通常硬件控制系统,也能够用微机控制系统,或考虑到二者优缺点,二者全部采取,即当所要求控制速度要求比较高时采取硬件控制,控制速度要求较低时采取微机进行控制。采取硬件控制提升了系统控制速度,而采取微机控制系统,可提升系统稳定性和灵活性,能伴随实时焊接条件改变而改变,增加了系统柔性和适应性。
CO2焊最大缺点就是焊接飞溅大和焊缝成形差,直接影响焊接质量。为了降低飞溅,预防金属小桥爆断,缩颈检测就起着关键作用。通常来讲,熔滴过渡过程采取微机进行控制,而缩颈检测采取硬件检测。
在电磁力和表面张力作用下,短路小桥不停颈缩,导电截面随之缩小,使其电阻不停升高,电阻随时间改变率dR/ dt 可经过单位时间内电压改变率dV/dt 测量出来。当短路小桥电压改变率达成或超出一定阀值,检测电路发出信号,使电源输出电流在数微秒内降到较小值,这么就避免了飞溅产生。因为检测电路对电压波动很敏感,短路电压信号只要有微小波动(如脉动波纹和尖峰不能很好滤掉) ,就能够产生误判定,这是这种检测电路失败关键原因,所以低通滤波器好坏将直接影响着缩颈检测和焊接飞溅控制。

※三 试验总结
一周课程设计在指导老师亲切关心下和同学鼎力帮助下，总算是顺利完成了。即使不是很完美，不过让我在整个课程设计当中发觉了自己很全部缺点，在这里，我要尤其感谢同学们，没有你们帮助，凭我一己之力恐怕还要费些力气！是你们然我少走了很全部弯路，再次感谢！
言归正传，经过此次课设，我学到了很多知识，跨越了传统方法下教和学体制束缚，在论文写作过程中，经过查资料和搜集相关文件，培养了自学能力和动手能力。而且由原先被动接收知识转换为主动寻求知识，这能够说是学习方法上一个很大突破。在以往传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，不过经过课程设计，学会了怎样将学到知识转化为自己东西，学会了怎么愈加好处理知识和实践相结合问题。
在论文写作过程中也学到了做任何事情所要有态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现任何问题和偏差全部不要轻视，要经过正确路径去处理，在做事情过程中要有耐心和毅力，不要一碰到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就能够找到思绪去处理问题。在工作中要学会和人合作态度，认真听取她人意见，这么做起事情来就能够事倍功半。
在设计电途经程中，理论知识很关键，理论知识决定了设计方法，设计电路成败。所以需要查找很多资料，需要足够耐心、细心去研究问题，处理问题。同时还必需有实事求是地分析问题态度，知道理论和实际是有部分差异。
认清问题是前提，分析问题才是关键，只有认真地去分析问题才能愈加好处理问题，分析问题时必需含有细心，耐心，恒心和毅力，同时还必需做到科学地具体地实事求是地分析问题。
调试过程中要有平和心态，遇见问题是很正常，要做就是多做比较和分析，逐步排除可能原因，要坚信“凡事全部是有措施处理”和“问题出现一定有它原因”，这么最终一定能调试成功。

参考文件

1、彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997；
2、高吉祥，《电子技术基础试验和课程设计》，北京：电子工业出版社，；
3、童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988；
4、康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，
5、杨拴科，《模拟电子技术基础》, 北京：高等教育出版社，