课程设计说明书课程设计题目：有源二阶低通滤波器学院名称：信息工程学院专业：通信工程姓名：班级学号：同组人：指导老师：黄丽贞信息工程学院2010 年3月13 日课程设计任务书I、课程设计题目：有源二阶低通滤波器II、课程设计技术要求及主要元器件：〖基本要求〗：1) 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；2)截止频率f c=2KHz；3)增益A vp＝2 ；〖主要参考元器〗：UA741CD芯片；III、电子专业课程设计工作内容及进度安排：第一周查阅资料，确定方案，Multisim仿真第二周设计制作，电路调试，撰写报告Ⅳ、主要参考资料：［1］童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006[2] 谢自美.电子线路综合设计(第一版) [M].武汉：华中科技大学出版社，2006[3] 沈小丰，余琼蓉.电子线路实验——模拟电路基础[M].北京：上清华大学出版社，2005摘要在现代的电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛。
在我们日常生活中，几乎所有的电子部件都有使用滤波器，而且滤波器的优劣将直接决定电子产品的优劣。
鉴于滤波器与人们的生活息息相关，本文研究的对象正是一个二阶有源低通滤波器（巴特沃思响应）。
该电路主要采用了uA741运放，并且在一阶的基础上增加一节RC网络，加大幅频特性衰减斜率，以达到在给定的频段内，让信号无衰减地通过电路，而通带外的其他信号将受到很大的衰减；从而提高滤波效果。
本设计运用uA741和RC选频网络实现了信号频率在给定的范围内通过，也在一定程度上提高了滤波效果。
关键字：二阶、频率衰减、滤波目录前言 (1)第一章二阶低通滤波器的设计要求 (2)1.1设计任务及要求 (2)第二章电路设计原理及方案 (3)2.1二阶有源低通滤波器的特点 (3)2.2设计原理 (4)2.3设计方案 (6)2.3.1芯片选择 (6)2.3.2二阶低通滤波器电路 (8)第三章滤波电路的详细设计 (9)3.1二阶有源低通滤波器的理论分析 (9)3.1.1频率特性 (9)3.1.2通带电压放大倍数AUP (9)3.2二阶低通滤波器的理论计算 (9)3.3用Mutisim仿真 (12)第四章电路的焊接与调试 (14)4.1电路的安装 (14)4.2电路的调试 (14)实验结论 (15)第五章设计心得和体会 (16)参考文献 (17)附录一 (18)附录二 (19)前言随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和技术领域中占有不可或缺的核心地位。
在我国现代化建设的发展进程中，模拟电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。
滤波器技术更是现代技术中一个不可缺少的部分。
滤波器已大量渗入现代技术中。
在现代通信和信号处理方面，电话，电报，电视，无线电等都是以滤波器作为它们的重要部件之一。
低通滤波器在现实生活中运用也十分的广泛。
该种滤波器是只有在规定的低频率范围内才能使信号通过，而且其电路性能稳定，增益容易调节。
利用这一性质不仅可以滤出有用信号通过且同时抑制无用信号。
工程上也常常用低通滤波器作信号处理、数据传送和抑制干扰等。
例如：无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射；又如电子低通滤波器用来驱动重低音喇叭和其它类型的扩音器、并且阻塞它们不能有效传播的高音节拍；低通滤波器还在模拟合成器即（合成的电子音乐）声音处理中发挥着重要的作用；固体屏障也是一个声波的低通滤波器，当另外一个房间中播放音乐时，很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉。
我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率虽然基本上满足现有各种电信设备。
但从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。
从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。
从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。
第一章二阶低通滤波器设计要求1.1设计任务及要求一、基本要求：1）分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；2）截止频率f c=2KHz；3）增益A V＝2；注：可用实验电源二、设计任务:（1）根据原理图分析电路的功能；（2）熟悉电路中所用到的UA741CD芯片的管脚及其功能；（3）进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求；（4）写出完整、详细的课程设计报告。
三、设计目标：（1）通带内信号的衰减要尽量小，阻带内信号的衰减要尽量大，由通带过渡到阻带的衰减特性陡直上升；（2）通带内的特性阻抗要为常数，以便于阻抗匹配。
第二章电路设计原理及方案2.1 二阶有源低通滤波器的特点：（1）有源低通滤波器：容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过，而且通带放大倍数和频率特性并不随负载变化而变化。
（2）压控电压源二阶滤波电路的特点：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。
其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。
（3）无限增益多路负反馈二阶滤波电路的特点：运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。
其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。
（4）巴特沃思滤波器：所谓巴特沃思滤波器就是以巴特沃思近似函数作为滤波器的系统函数，该函数以最高阶台劳级数的形式来逼近理想矩形特性。
巴特沃思滤波器一种幅度平坦的滤波器，即其幅频特性在直至衰减3dB的截至频率处几乎是完全平坦的，但在截止频率附近有峰起，对阶越响应有过冲和振铃现象，过渡带以中等速度下降，下降率为-6ndB/倍频程，其巴特沃思低通滤波器的幅度特性曲线如图1.1所示图1.1归一化巴特沃思低通滤波器的幅度特性曲线2．2 设计原理（一）简单二阶低通滤波器是在一阶的基础上加入一节RC ；二阶低通滤波器由两部分组成，上半部分是一个同相比例放大电路，由两个电阻R1，Rf 和一个理想运算放 器(uA741CD)构成。
下半部分是一个二阶RC 滤波电路，由两个电阻R 及两个电容C 构成。
原理结构图如图2.1所示：图 2.1 简单二阶低通滤波器（二）有源滤波器的形式有好几种，本实验主要是巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。
巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为：， n=1，2，3，. . . （1） 写成：（2） 其中A uo 为通带内的电压放大倍数，ωC 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。
从（2）式中可知，当ω=0时，（2）式有最大值1； ω=ωC时，（2）式等于0.707，即A u 衰减了3dB ；n 取得越大，随着ω的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性曲线。
如图2.2所示 A uonc uo u A j A 211)(⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=ωωωn c uo u A j A 21)(⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=ωωω)(ωj A un=80 ωC ω图2.2低通滤波器的幅频特性曲线当 ω>>ωC 时， （3） 两边取对数，得：lg 20cuo u n A j A ωωωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式n c uo u A j A ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈ωωω1)(对于二阶低通滤波器，其传递函数：222)(c cc uo u s Q s A s A ωωω++= （5） 归一化后的传递函数： （6） 2．3 设计方案：2.3.1 芯片选择：uA741CDuA741芯片是通用的高增益运算放大器，这类单片硅集成电路芯片提供输出短路保护和闭锁自由运作。
而且还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。
芯片原理图、芯片管脚图及部分参数如下所示：11)(2++=L L uo L u s Qs A sAuA741CD 芯片管脚图:1管脚和5管脚为偏置(调零端)，2管脚为正向输入端，3管脚为反向输入端，4管脚接地，6管脚为输出，7管脚接电源 8管脚空脚uA741CD 芯片部分参数：2.3.2二阶低通滤波器电路：（一）压控电压源低通滤波电路： 将简单的二阶低通滤波电路（图 2.1）中接地的电容C1端该接到集成运放的输出端，便得到压控电压源二阶低通滤波电路，如图2.2所示。
电路中既引入 了负反馈，又引入了正反馈。
当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于C2的电抗趋于零，因而Up(s)趋于零。
所以，只要正反馈引入得当，就既可能在f=f0时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。
同相输入端电位控制由集成运放和R1、R2组成的电压源，故称压控电压源滤波电路。
图2.3压控电压源二阶有源低通滤波电路（二）无限增益多路反馈滤波电路：与压控电压源低通滤波电路类似，无限增益多路反馈滤波电路也是通过增加RC环节，使得滤波器的过渡带变窄，衰减斜率值加大，电路如图 2.4所示。
但不同的是无限增益多路反馈滤波电路通过改变Rf的连接，改善f0附近的频率特性，实现多路反馈效果。
同时，因为图2.4所示电路中的运放可看成理想运放，即可认为其增益无穷大，故也将该种电路称为无限增益多路反馈滤波电路。
图2.4 无限多路增益反馈二阶低通滤波电路第 三 章 滤波电路的详细设计3.1二阶有源低通滤波器的理论分析一、 频率特性：二阶低通滤波器电路的频率特性为:特征频率f0与通频带截止频率fP 的关系：fp ≈0.37f 0;二、 通带电压放大倍数AUP ：低频下，两个电容相当于开路，电路为同相比例，此时增益为：AUP =1+RV / RF1 = 2;3.2 二阶低通滤波器的理论计算㈠ 压控电压源二阶低通滤波电路 ：（1） 电路如图2.5所示。
其传输函数为：21212212112212111)1(111)(R R C C s C R A C R C R s R R C C A s A uo uo u +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=222c c c uo s Q s A ωωω++=其归一化的传输函数： 11)(2++=L L uo L u s Q s A s A 其中Q 为品质因数 通带放大倍数： 341R R A uo +=（1） 滤波器的截止角频率：c c f C C R R πω212121==（2） 为了减少输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使：4321//R R R R =+（3） 将上述方程与341R R A uo += 联立求解，可得：)(214R R A R f +=(4)2212111)1(11C R A C R C R Q uo c -++=ω143-=f A R R cL ss ω=图2.5压控电压源二阶有源低通滤波器（2）参数计算及元器件选取：在上面四个式子中共有六个未知数，三个已知量，因此有许多元件组可满足给定特性的要求，这就需要先确定某些元件的值：令R 1=R 2=R ，C 1=C 2=C ；① 先取C 1=C 2=C ，然后再计算R 1和R 2。