課程設(shè)計--二階有源低通濾波器

1、一 題目要求與方案論證1.1（設(shè)計題題目）二階有源低通濾波器1.1.1題目要求設(shè)計二階有源低通濾波器。要求截止頻率f0=1000HZ；通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)A0=15，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。分析電路工作原理，設(shè)計電路圖，列出電路的傳遞函數(shù)，正確選擇電路中的參數(shù)。1.1.2 方案論證（1）：對信號進(jìn)行分析與處理時, 常常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題, 這些噪聲有的是與信號同時產(chǎn)生的, 有的是傳輸過程中混入的。因此, 從接收的信號中消除或減弱干擾噪聲, 就成為信號傳輸與處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號與噪聲的不同特性, 消除或減弱噪聲,提取有用信號的過程稱為濾波, 實現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波

2、器。濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種： 無源濾波器:由電感L、電容C及電阻R等無源元件組成 有源濾波器:一般由集成運放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時，由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號處理。從功能來上有源濾波器分為：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、全通濾波器（APF）。其中前四種濾波器間互有聯(lián)系，LPF與HP

3、F間互為對偶關(guān)系。當(dāng)LPF的通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率時，將LPF與HPF相串聯(lián)，就構(gòu)成了BPF，而LPF與HPF并聯(lián)，就構(gòu)成BEF。在實用電子電路中，還可能同時采用幾種不同型式的濾波電路。濾波電路的主要性能指標(biāo)有通帶電壓放大倍數(shù)AVP、通帶截止頻率fP及阻尼系數(shù)Q等。工作原理：二階有源濾波器是一種信號檢測及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路, 也是高階慮波器的基本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無限增益多路反饋型和雙二次型。本次課程設(shè)計采用壓控電壓源型設(shè)計課題。有源二階濾波器基礎(chǔ)電路如圖1所示：圖1 二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成

4、，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號頻率ff0時（f0 為截止頻率），電路的每級RC 電路的相移趨于-90，兩級RC 電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容c 引到集成運放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為：A(s)=Vo(s)Vi(s) =AVF1+(3-AVF)sCR+(sCR)2令 A0=AVF 稱為通帶增益Q=13-AVF1RC稱為等效

5、品質(zhì)因數(shù) c= 稱為特征角頻率 2則A(s)=s+2A0cnQ 2cs+上式為二節(jié)低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式注： 當(dāng) 3-AVF0 ，即 AVF3 時濾波電路才能穩(wěn)定工作。1（2）芯片介紹：產(chǎn)品型號：LM324N1.概述與特點LM324是由四個獨立的運算放大器組成的電路。它設(shè)計在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動化及光、機、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點如下：具有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；單電源3V30V，雙電源1.5V15V 內(nèi)含相位校正回路, 外圍元件少消耗電流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=)輸入失調(diào)電壓低:2mV

6、 (典型值)電壓輸出范圍寬：0V Vcc1.5V共模輸入電壓范圍寬：0V Vcc1.5V封裝形式：DIP14圖2 LM324N實物圖圖3 LM324N管腳圖21.2（實訓(xùn)題題目）波形發(fā)生器與計數(shù)器 1.2.1題目要求利用74LS138以及兩片74LS195構(gòu)成模值28的程序計數(shù)器，如CBA輸入111(8分頻)時，QD端輸出8分頻脈沖 1.2.2方案論證表1.二位十進(jìn)制加法計數(shù)器的狀態(tài)表芯片介紹： LM324M：運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器。可工作在單電源下，電壓范圍是3.0V-32V或+16V。LM324M的特點：短跑保護(hù)輸出、真差動輸入級、可單電源工作：3V-32V4.

7、低偏置電流：最大100nA（LM324A）、每封裝含四個運算放大器、具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?、共模范圍擴展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。圖4：LM324M實物圖74LS90D：74LS90是二五十進(jìn)制異步計數(shù)器，從000計到111為例。先接成加法計數(shù)狀態(tài)，在輸出為1000時（既Q4為高電平時）把Q4輸出接到R01和R02腳上（即異步置0），此時當(dāng)計數(shù)到1000時則立刻置0，從新從0開始計數(shù)。1000的狀態(tài)為瞬態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖中是0000到0111是有效狀態(tài)，1000是瞬態(tài)，跳轉(zhuǎn)從這個狀態(tài)跳回到30000狀態(tài)。（1） 計數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進(jìn)制計數(shù)器。（2）

8、計數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQLQH作為輸出端，為異步五進(jìn)制加法計數(shù)器。（3） 若將CP2和QA相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。（4） 若將CP1與QD相連，計數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。（5） 清零、置9功能。a) 異步清零當(dāng)R0（1）、R0（2）均為“1”；S9（1）、S9（2）中有“0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA=0000。b) 置9功能當(dāng)S9（1）、S9（2）均為“1”；R0（1）、R0（2）中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA =1

9、001.圖5：74LS90D管腳圖 圖6：74LS90D真值表74HC4511：圖7：74HC4511引腳圖4二 電子線路設(shè)計與實現(xiàn)2.1二階有源低通濾波器我們的設(shè)計題目是二階有源低通濾波器。要求截止頻率f0=1000HZ；通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)A0=15，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。由 Q=13-AVF=0.707可以求得AVF，所以低通濾波器的通帶電壓增 A0=AVF=1.586 選擇C=82nF,選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻R=9.09 K，Rf=2.55 K。要使A0=15,則還須再接一個放大電路，使得一級輸出被放大9.43倍，則總增益達(dá)到15左右。設(shè)計仿真電路如圖：圖8 二階有源低通濾波器仿真模擬電路圖52

10、.2十位二進(jìn)制加法計數(shù)器電路設(shè)計根據(jù)題目要求利用Multisim軟件畫出如下的電路圖：_5V圖9 仿真圖電路圖根據(jù)仿真電路的電路圖設(shè)計出如下的布線圖：圖10 十位二進(jìn)制加法計數(shù)器電路模擬電路圖6根據(jù)布線圖焊接了電路板如下圖所示：圖11 二位十進(jìn)制加法計數(shù)器焊接電路板7三 結(jié)果與分析3.1二階有源低通濾波器圖12 二階有源低通濾波器仿真波形圖（1）分析上圖知電路的截止頻率在989HZ左右，與題目要求稍微有點偏差，這是由于電阻和電容的設(shè)置存在偏差及兼顧通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)引起的，在誤差允許的范圍之內(nèi)。圖13 二階有源低通濾波器仿真波形圖（2）所加輸入信號的有效電壓Vi=120mv,波形入Channe

11、l-A所示;輸出電壓波形入Channel-B所示，其最大電壓約為2.570V，故輸出電壓的有效電壓值Uo=2.570 x 0.707 =1816.99(mv);由以上分析知通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)A0=Uo/Vi=15.14,和題目要求存在極小偏差，在誤差允許的范圍之內(nèi)。 綜上所分析得知我組所設(shè)計的二階有源低通濾波器仿真模擬電路圖符合題目要求，是正確的。83.2二位十進(jìn)制加法計數(shù)器的實現(xiàn)圖14 二位十進(jìn)制加法計數(shù)器仿真波形圖圖15 仿真過程圖9表2.誤差分析：總結(jié)：通過實驗的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，當(dāng)可變電阻的值增加時，周期變大；當(dāng)可變電阻的值減小時，周期減小。數(shù)值的誤差范圍在測量允許范圍內(nèi)。誤差原因分析：（

12、1）電路板上元件的阻值與實際的電阻值有一點的誤差，得到的結(jié)果與計算結(jié)果有不同。（2）電路板焊接時對元器件有了一點的影響。（3）讀數(shù)時有偏差，連接示波器時的元件的具體頻率值與電阻值都直接取了整數(shù)，并不是原來的那個值。因此在具體周期的計算值上也有不同。（4）焊接點與線也有一定的電阻。10四 總結(jié)與體會實習(xí)了兩個星期的，我們學(xué)會了很多東西，培養(yǎng)了動手能力也為我們以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多專業(yè)知識問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時，在老師的身