电气工程学院有源低通滤波器课程设计设计题目：有源低通滤波器设计学号：姓名：同组人：指导教师：设计时间：2012年11月20号设计地点：电气学院实验中心姓名学号课程设计题目：有源低通滤波器设计课程设计答辩或提问记录：成绩评定依据：课程设计预习报告及方案设计情况（30％）：课程设计考勤情况（15％）：课程设计调试情况（30％）：课程设计总结报告与答辩情况（25％）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年月日学生姓名：指导教师：一、课程设计题目：有源低通滤波器设计二、课程设计要求1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，独立进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；2. 查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真；3. 完成预习报告，报告中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；4. 进实验室进行电路调试，边调试边修正方案；5. 撰写课程设计报告——最终的电路图、调试过程中遇到的问题和解决问题的方法。
三、进度安排1．时间安排序号内容学时安排（天）1 方案论证和系统设计 12 完成电路仿真，写预习报告 13 电路调试 24 写设计总结报告与答辩 1合计 5设计调试地点：电气楼4102．执行要求课程设计共5个选题，每组不得超过2人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的详细电路（包括计算和器件选型）。
严禁抄袭，严禁两篇设计报告雷同。
摘要滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，有源滤波器被广泛用于信息处理、数据传送等电路中。
在对二阶有源低通滤波器的原理进行分析的基础上，采用2个2阶低通滤波电路级联的方案，设计了基于巴特沃斯逼近的4阶有源低通滤波器。
在Multisim软件中使用虚拟示波器、波特图示仪等设备，对设计的滤波器的交流特性进行仿真，并对仿真结果进行了分析，其交流特性符合理论设计，具有一定的参考价值。
关键词：滤波器，有源低通，巴特沃斯，multisimAbstractAbstract：Filter is the circuit which has a selective for the frequency of signals，its function is to make a specific range offrequency through．Source filter is widely used for information processing and data transmission circuit．Based on the analysis of principle of 2nd Source low passed filter，by using the Scheme of cascading two 2nd source low-passed filter and themethod of examining the table，the 4nd source low-passed filter based on Butterworth is designed．By using the oscilloscopeand Bode plotter in Multisim ，the AC Features of this Filter was Simulated，and the sim ulation results were analyzed，it SAC features met with theory design and has certain reference value．Key words: Source low—passed filter，Butterworth，Multisim目录摘要 (3)Abstract (3)目录 (4)第一章系统方案设计 (1)1.1 滤波器介绍 (1)1.2 有源低通滤波器的设计要求 (1)1.2.1设计内容 (1)1.2.2设计要求 (1)1.2.3元器件 (1)1.2.4考核标准 (1)1.3芯片介绍 (2)1.4有源低通滤波器的设计原理 (2)1.5有源低通滤波器的设计方案 (3)第二章仿真 (5)2.1仿真电路图 (5)2.2 仿真结果分析 (5)2.2.1瞬态特性分析 (5)2.2.2频率特性分析 (7)第三章电路调试 (10)3．1实物面包板图 (10)3．2调试最终元器件阻值 (11)3．3 PCB制版 (12)第四章结论 (13)第五章心得体会与建议 (14)参考文献 (15)附录1：元器件清单 (16)第一章系统方案设计1.1 滤波器介绍滤波器用于对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率的信号通过。
有源滤波器具有设计标准化、模块化、易于制造等优点，因此被广泛用于信息处理、数据传送和抑制干扰等电路中。
低通滤波器分为无源和有源两种。
无源滤波器是由电感、电容及电阻构成的，由于受到尺寸和实际性能的限制，电感在某些频率范围不太适用，因此，近几年来有一种趋向, 即用能模拟电感效应的有源器件来代替电感。
几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。
正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。
理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器（brick- wallfilter）。
遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。
根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应。
虽然逼近函数多种多样，但是考虑到实际电路的使用需求，我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。
“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性，而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性。
所以具体选用何种特性，需要根据电路或系统的具体要求而定。
1.2 有源低通滤波器的设计要求1.2.1设计内容设计一个有源低通滤波器。
1.2.2设计要求要求截止频率20k赫兹。
1.2.3元器件①运算放大器LM324二片；② 9012三极管；③ 9013 三极管；④电阻若干；⑤电容若干；1.2.4考核标准①预习方案报告；②独立设计；③独立调试；④验收；⑤设计报告；（含PCB图、原理图）1.3芯片介绍LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V o”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的相位相同。
图1 LM324管脚连接图1.4有源低通滤波器的设计原理本次设计选取选取巴特沃斯滤波器。
它的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。
在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。
一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。
二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。
巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。
只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。
其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。
巴特沃斯低通滤波器的平方幅度响应为:其中，n为滤波器的阶数，Wc为低通滤波器的截止频率。
图2展示了2阶、4阶、8阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性。
可见阶数n越高，其幅频特性越好，低频检测信号保真度越高。
图2 巴特沃斯幅频滤波器的幅频特性1.5有源低通滤波器的设计方案4阶有源低通滤波器可以由2个2阶低通滤波器级联组成，其基本电路图如图3所示。
设计4阶巴特沃思低通滤波器的传递函数，用2个2阶巴特沃思低通滤波器构成1个4阶巴特沃恩低通滤波器，其传递函数为：为了简化计算，其参数满足如下条件：选取C=0.01uF，可算得R=796 Ω。
4阶巴特沃思低通滤波器2个阻尼系数为：-0.765,1.848，由此算得两个零频增益为：则传递函数为：可以选择两个2阶巴特沃斯低通滤波器级联组成。
增益分别为：对于第一级，若选取R3=61KΩ，则R4=9.27KΩ；对于第二级，若选取R7=20KΩ，则R4=24.7KΩ。
图3 4阶巴特沃斯低通滤波器基本电路第二章仿真2.1仿真电路图根据1.4的设计方案，选择合适的元器件，利用multisim进行仿真。
仿真电路图如图4所示。
R1 796ΩR2796ΩR361kΩR49.27kΩC10.01µFC20.01µFU1ALM324J321141VCC12VV13 Vrms 20kHz 0°R5796ΩR6796ΩR720kΩR824.7kΩC30.01µFC40.01µFU2ALM324J321141VCC12VV2-12 VV3-12 V图4 multisim仿真电路图2.2 仿真结果分析2.2.1瞬态特性分析用示波器观测电路瞬态仿真特性，连接如图所示。
R1 796ΩR2796ΩR361kΩR49.27kΩC10.01µFC20.01µFU1ALM324J321141VCC12VV12.5 Vrms 1kHz 0°R5796ΩR6796ΩR720kΩR824.7kΩC30.01µFC40.01µFU2ALM324J321141VCC12VV2-12 VV3-12 VXSC1A B C DGT 图5 利用示波器观察瞬态特性当输人信号为2V、1KHz时，输入、输出波形如图6所示，幅值放大了2．6倍；把信号频率调整到10 kHz，发现图7中波形不仅幅值已经明显衰减，相位也发生变化，可明显看出该滤波对大于截止频率的信号有较强的抑制作用；当输入信号变成50KHz时，图8中输出信号几乎衰减为0。
图6 fi=1kHz，Vi=2.5V时示波器的观察结果图7 fi=20kHz，Vi=2.5V时示波器的观察结果图8 fi=50kHz，Vi=2.5V时示波器的观察结果2.2.2频率特性分析利用波特仪可以观察输入信号与输出信号只见得频率特性，接法如图9所示。