模拟电子课程设计

长沙学院
课程设计说明书
有
源低通滤波器电路设计 电子与通信工程系
XX —班
XXX XXXXXXXX XXX 3
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，输出低频信号的有源低通滤波电路； 2. 设计要求
(1) 根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；举例说明所设计的有源高通滤波器的广泛应用，简要说明 电路
的工作原理。

(4) 撰写设计说明书。

三. 设计工作量
设计时间一周，2011年下学期进行。

四. 工作计划
星期一：布置设计任务，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
题
目 系 (
部
) 专 业( 班 级) 姓
名 学
号 指 导 教 师 起 止
日 期
四：仿真调试电路
星期五：撰写设计报告书，进行个别答辩。

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，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005；
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，《电子技术基础一一模拟部分》，北京：高等教育出版社，2006
5.本课程教材
六. 指导教师
XXXXXXXXXXXXXXXX
七. 系部审批
长沙学院课程设计鉴定表
指导教师意见：
评定等级：__________ 教师签名：___________ 日期：_________
答辩小组意见：
评定等级：答辩小组长签名：日期：
教研室意见：
教研室主任签名：__________ 日期：__________
系（部）意见：
系主任签名：_______________ 日期：___________
目录
2.2
.7
2.2.1
.7
2.2.2
..8
器 (10)
设
求实
1.1
2.1
2.3 工作原理及电路图的原理图和PCB 图............. .. (13)
※ 三低通滤波器在生活中的应用………… ..14
3.1 在焊接中的应用 (14)
※ 四实验总结………………………………
..15
参考文
献 .................. . (16)
引言
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。

滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上就是一个选频电路，所以滤波器也称为选频装置。

工程上常用它来作为信号处理、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与有源滤波器两种：① 无源滤波器: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）。

对于有源滤波器，通带内的信号不仅没有能量损耗。

而且还饿可以放大，负载效应不明显，多级相联时互相影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小，重量轻、不需要磁屏蔽（由于使用电感元件）；但是其通带范围受有源器件（如集成运放放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适合。

一般还可以按照有源滤波器传输函数分母中S 的最高指数分为一阶、二阶和高阶滤波器，滤波器的阶数是指在滤波器的传递函数中有几个极点，阶数同时也决定转折区的下降速度，一般每增加一阶（一点极点），就会增加一20dB每
十倍频程。

低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。

理想滤波器电路的频响在通带内应具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网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC 网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。

根据指标，本次设计选用二阶有源低通滤波器。

课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。

本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体的一门课程，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度, 培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。

作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识，还需要过硬的动手能力，所以认真做好课程设计，对提高我们的动手能力有很大的帮助做到。

※一、设计任务与要求
1.1 设计任务
1.学习有源低通滤波器的设计方法；
2.由滤波器的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的测试方法；
5.测量有源低通滤波器的幅频特性。

1.2 设计要求
1.根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；举例说明所设计的有源低通滤波器的广泛应用，简要说明
电路的工作原理；
4.撰写设计说明书。

※二、实验经过
2.1实验原理
低通滤波器(low-passfilter) 是容许低于截至频率的信号通过，但高
于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。

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。

低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路(如音频设备
中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers )、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。

低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通
用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

滤波器的主要功能就是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路，所以滤波器也称为选频装置，工程上常用它用来作信号处理、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，通常把能够通过的频率范围，或者信号幅度不衰减或只有允许程度衰减的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减，或完全被抑制的频率范围称为阻带，通带和阻带之间的分界频率为截止频率。

理想的滤波器电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相频响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。

根据通带和阻带所处的频率区域不同，一般将滤波器分成四类：(1)低通滤波器
就是低频信号能通过，而高频信号不能通过的滤波器。

它的通带由零到某一特定的上限频率f c，即0冬f < f c ；阻带由f c到无穷大。

(2)高通滤波器
与低通滤波器相反，就是只允许高频信号通过，而低频信号通过的滤波器。

通带位于大于某一特定下限频率f c的高频区，即f > f c ；阻带位于零到f c的低频
区。

(3)带通滤波器
它的通带位于两个有限频率f1、f2之间，即通带为f1 < f < f2。

通带两侧都是阻带。

（4）带阻滤波器
与带阻情况相反，它的阻带位于两个有限频率之间，即阻带为f1 < f < f2。

阻带两侧都为通带。

通带的衰减为零，阻带的衰减为无穷大，从零衰减到无穷大衰减之间没有过渡，这是
理想滤波器的特性，这种特性是不可实现的。

实际滤波器的通带，特别是靠近截止频率的频率频域往往有一定的衰减；同样，它的阻带，特别是靠近截止频率处衰减也不是无穷大。

或者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，应使其频率特性尽量接近理想特性。

此外，当考虑滤波器的物理实验时，根据所采用的元器件不同，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，负载效应比较明显，或滤波器性能虽负载变化较大，高阶情况下调节比较困难。

另外由于使用了电感，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。

有源滤波器由于采用了有源放大器，不仅可以补充无源网络中的能量损耗，还可以根据要求提高信号的输出功率。

在使用运算放大器作为有源器件的滤波器中，由于运算放大器有许多优点，电路具有体积小、精度高、性能稳定、易于调试等特点。

另外，由于运算放大器有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，多级相联时相互影响很小，可以用低阶滤波器级联的简单方法构成高阶滤波器，且负载效应不明显。

有源滤波器的限制主要是运算放大器固有特性的限制，一般来说他不适用于高压、高频、大功率的场合，而比较适用于低频和超低频的应用。

2.2 实验步骤
2.2.1 滤波器的选择
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.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-12dB 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，运放的幵环增应在
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
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 100k Q ，贝
y 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 （ 00 c ）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，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表 1.1.2 初选电容
值。

2.2.2 一阶低通有源滤波器
图为我设计的一阶RC 低通有源滤波器，当运算放大器的特性理想时，电路的传 递函数为
A R ^
A o
R
1
A(S )
葩
U i (s) 邑 1 令滤波器的截止角频率 R-i 1 S R 2C
R 2C
，通带增益
用
j 0
代替式中的S
得相应的频率特性A （j ）人亠
A o 1 j"，式中
f c c/(2 ) 1/(2 R2C)称为滤波器的截止频率。

由该式可得滤波器的幅频特性
和相频特性。

经计算，该电路图的c=500赫，下图是它的频率特性图
下图是她波形图截图
一阶滤波器电路虽然简单，但其滤波效果不好。

由低通滤波器电路的幅频特性可知，当f f c后，滤波器的输出并不立即衰减为零，而是以20dB/十倍频的速率下降。

若要求幅频特性曲线在高频段以更大的衰减速度下降，就需要采用二阶，三阶或更高阶的滤波器。

一般情况下，高阶滤波器也可以用低阶滤波器级联而成。

2.2.3二阶低通有源滤波器
由基尔霍夫定律可得A(s) R2 R, s2
其中特征角频率
Q R^ C 2 R3 R2
:R3R2C I C2(R-i R3R, R2R3 R2) i C1
令s j可得
二阶RC低通有源低通滤波器电路图
由公式可知，当时，A(j ) A o ；当时，A(j ) 0 ;电路具有低通滤波器特性，且与频率的二次方有关，因此我所设计的电路为二阶低通滤
波器。

当n时
A(j n) QA o,即 Q 眾"
A
由该式可知,Q值就是当n时，滤波器电路电压放大倍数的模与通带增益的
比值。

滤波器特性不仅与频率有关，还与电路的品质特性有关。

下面四图是Q取不同值时，所得的仿真图
品质因数Q ------- R i J C2R3R2_ =0.7407
(R1R3 R-I R2 R3R2 C1
下图是它的波形图截图
当Q 1 2时，滤波器的幅频特性有峰值，且Q值越大，尖峰越高。

当Q 时，电路将产生自激振荡，这种幅频特性有欺负的滤波器称为切比雪夫型滤波器。

这种滤波器虽然在通带有起伏，但在过渡带衰减速度较快。

当Q 1 . 2时，幅频特性不出现峰值，但Q值越小，幅频特性下降的越早。

Q 1 -2是一个临界值，超过该值时出现峰值，小于该值时幅频特性下降加剧。

当等于该值时所得的幅频特性是最平坦的，既无峰值，在n频域下降量又最小。

一般将Q值等于1. .2对应的滤波器称为最大平坦滤波器，或巴特沃斯型滤波器。

二阶低通滤波器的幅频特性在过渡带内以40dB/十倍频的速率衰减，它的滤
波效果比一阶电路好得多。

2.3工作原理及电路图的原理图和PCB图
滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路。

滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。

有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。

由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。

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通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，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。

下图为二阶低通电路的原理图及PCB图
二阶低通电路的原理图
PCB图
※三低通滤波器在实际生活中的应用
3.1在焊接中的应用
C02焊过程的控制
为了对CO2焊短路过渡过程进行控制，可以采用一般的硬件控制系统，也可以用微机控制系统，或者考虑到两者的优缺点，两者都采用，即当所要求的控制速度要求比较高时采用硬件控制，控制速度要求较低时采用微机进行控制。

采用硬件控制提高了系统的控制速度，而采用微机控制系统，可提高系统的稳定性和灵活性,能随着实时焊接条件的变化而变化，增加了系统的柔性和适应性。

CO2焊最大的缺点就是焊接飞溅大和焊缝成形差，直接影响焊接质量。

为了减少飞溅，防止金属小桥的爆断，缩颈检测就起着重要的作用。

一般来讲，熔滴的过渡过程采用微机进行控制，而缩颈检测采用硬件检测。

在电磁力和表面张力作用下，短路小桥不断颈缩，导电截面随之缩小，使其电阻不断升高，电阻随时间的变化率dR/ dt可通过单位时间内的电压变化率
dV/dt测量出来。

当短路小桥电压的变化率达到或超过一定的阀值，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，这样就避免了飞溅的产生。

由于检测电路对电压的波动非常敏感，短路电压信号只要有微小的波动（如脉动波
纹和尖峰不能很好的滤掉），就可以产生误判断，这是这种检测电路失败的主要原因，因此低通滤波器的好坏将直接影响着缩颈的检测和焊接飞溅的控制。

※三实验总结
一周的课程设计在指导老师的亲切关怀下和同学的鼎力帮助下，总算是顺
利完成了。

虽然不是很完美，但是让我在整个课程设计当中发现了自己的很都缺点，在这里，我要特别感谢的同学们，没有你们的帮助，凭我一己之力恐怕还要费些力气！是你们然我少走了很都弯路，再次感谢！
言归正传，通过此次的课设，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。

并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。

在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过课程设计，学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问
要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。

在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。

在设计电路过程中，理论知识很重要，理论知识决定了设计的方法，设计电路的成败。

所以需要查找很多资料，需要足够的耐心、细心去研究问题，解决问题。

同时还必须有实事求是地分析问题的态度，知道理论与实际是有一些差别的。

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更好的解决问题，分析问题时必须具备细心，耐心，恒心和毅力，同时还必须做到科学地具体地实事求是地分析问题。

调试的过程中要有平和的心态，遇见问题是非常正常的，要做的就是多做比较和分析，逐步的排除可能的原因，要坚信“凡事都是有办法解决的”和“问题出现一定有它的原因”，这样最后一定能调试成功。

参考文献
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，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005;
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，《电子技术基础一一模拟部分》，北京：高等教育出版社，2006
5、杨拴科，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，2010。