有源低通滤波器设计(1),有源低通滤波器电路

('本科学生综合性实验报告项目组长董颖萍学号0133578成员董颖萍0133578童霞0133579韦薇0133570江琴0133593谢芳娟0133594潘雅心0133584范瑜0133582专业电子信息工程班级131实验项目名称有源低通滤波器设计指导教师及职称陈滨博士开课学期2015至2016学年第一学期上课时间2015年10月22日一、实验设计方案实验名称：有源低通滤波器设计实验时间：2015年11月20日小组合作：是●否○小组成员：董颖萍、童霞、韦薇、江琴、谢芳娟、潘雅心1、实验目的：⑴滤波器原理及用集成运放及电容、电阻搭建低通滤波器。⑵集成运放的特点及电容、电阻的选择。⑶运用相关仿真软件知识，考虑使用具有优化功能的电路仿真软件。2、实验场地及仪器、设备和材料：⑴江西财经大学枫林园校区物华楼w-103；⑵模拟电路实验箱，数字万用表，示波器，信号发生器，自制电路。3、实验思路（实验内容、数据处理方法及实验步骤等）：一、实验内容：有源低通滤波器设计设计要求：（1）用集成运放（注意选择的集成运放高端截止频率要高于1MHz。）配合电容、电阻构成一个有源低通滤波器，高端截止频率为500KHz。（2）带外每倍频程衰减不小于20dB。（3）扩展功能：在上述要求的基础上，考虑带外衰减更快。（4）先进行原理分析与方案选择，采用仿真软件进行设计。功能实现后，在万能板或印制板上搭建实际电路并进行调试，完成一份设计报告。二、实验电路及原理滤波电路的作用就是允许从零某段频率范围内的信号通过，阻止或削弱其他频率范围的信号。集成运算放大器是一种多端集成电路，具有高电压放大倍数。当外部接入不同的线性或非线性元件组成输入和负反馈电路时，可以实现各种特定的函数关系。采用集成运放构成的RC有源低通滤波器具有输入阻抗高、输出阻抗低、可提供一定增益、截止频率可调等特点。有源低通滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，它能够在滤波的同时还能对信号起放大作用，由两个RC网络和同相比例放大器构成。下图为设计的二阶有源低通滤波器的原理图三、元器件以及方案的选择因为实验要求是用集成运放配合电容、电阻构成一个低通滤波器，选择的集成运放高端截止频率要高于1MHz，高端截止频率为500KHz且带外每倍频程衰减不小于20dB。所以我们组选择了LM6172,4个320Ω电阻，2个1000Ω电阻,1个100Ω电阻和一个220Ω的电阻，4个1nF电容。LM6172：四、设计电路根据题目我们设计了电路，在Multisim中仿真如下：由电路计算可得：（1）第一级的通带增益AVF121000100011431\uf03d\uf057\uf057\uf02b\uf03d\uf02b\uf03dRRAVF第二级的通带增益45.122010011872\uf03d\uf057\uf057\uf02b\uf03d\uf02b\uf03dRRAVF（2）截止频率fc特征角频率：sRC/rad125.3nf132011106c\uf0b4\uf03d\uf0b4\uf057\uf03d\uf03d\uf077截止频率：由Multisim仿真得下图：（1）波特测试仪：由波特图可知：低通滤波的截止频率为545KHz，在不到1MHz的时候，信号已经衰减了20dB，故能满足带外每倍频程衰减不小于20dB，带外衰减非常快。如果提高滤波器阶数，衰减将会更快。（2）频率为1kHz时分析：图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器后的输出信号。（2）频率为100KHz时分析：图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器之后的信号即输出信号，输出没有衰减，（3）500kHz时分析：图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器之后的信号即输出信号，输出开始衰减（4）600kHz时(5)1000kHz时分析：图中蓝色线代表原信号即输入信号，红色线代表经过二阶有源低通滤波器之后的信号即输出信号，输出衰减超过20dB.五、焊接电路根据题目我们设计的实物图：正面：反面指导老师对实验设计方案的意见：指导老师签名：年月日二、实验结果与分析1、实验目的、场地及仪器、设备和材料、实验思路等见实验设计方案2、实验现象、数据及结果Ⅰ、测试方法按照电路原理图，正确连接电路，将信号发生器的输出端接入电路板的信号输入端，再将示波器的CH1接口接电路板的信号输入端，示波器的CH2接口接电路板的信号输出端。接通电源，如下图所示：Ⅱ、测试结果①当频率为1.08Hz时，如下图可看出增益为2②频率为10.8340kHz时，如下图可看出增益约为2③频率为108.34KHz时，如下图可看出增益约为2④频率为547.542KHz时，如下图可看出几乎没有增益，开始衰减⑤频率为818.023KHz时，如图可看出此时输出信号波形发生衰减,衰减到输入信号的三分之一⑥频率为1.00669MHz时，如图可看出衰减已经达到6倍。3、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：从示波器的输出波形可看出，输入信号频率在10kHz，100K时，显示的输出波形是输入的2倍，即增益为两倍，在频率为500kHz时，显示的波形没有增益，在频率分别为800KHz和1MHz时，信号衰减，并且随着信号发生器输入的频率逐渐增大，信号输出也逐渐衰减，而且输入频率越高衰减越快。综上下图为输入频率和信号衰减的关系图：4、结论：（1）对比实验输出结果和仿真结果，当频率在500kHz以下时，电路的增益约等于2，和理论计算值相同，在500kHz左右时电路没有增益，准备衰减，达到了实验要求的截止频率值，，随着输入信号的频率逐渐增大，当频率在800KHz时，信号衰减一倍，当频率达到1MHz，信号衰减了六倍，由于信号发生器的最大输出频率为1MHz，所以无法看到信号衰减20dB时输入信号的频率，但是随着频率的继续升高，衰减越快。实验能达到带外衰减能达到20dB每倍频程的要求。（2）用集成运放LM6172设计二阶有源低通滤波器容易实现较高的截止频率，工作电压范围是±5.0～±15V，单位增益带宽能达到110MHz，同时也减少了自激现象，很好的实现了实验要求。5、实验总结此次实验成败之处及其原因分析：成功之处：本次实验采用的是LM6172芯片，LM6172通过Multisim仿真和实际电路的测试，本次实验完成了实验要求，高端截止频率为500kHz,带外每倍频程衰减不小于20dB,随着信号输入的增加，输出衰减更快，达到了实验目的。失败之处：第一次使用LM6172，在焊接电路时，将芯片的管脚焊错，导致测试电路无法输出正常的波形，电路中所有的接地端都要连在一起，减少电路输出失真问题，在实验过程中还发现实际电路中的电容值不符合，元器件自身的问题让我们很难发现问题，最终在反复测试和计算之后，换了新的元器件，之后测试电路就输出了基本符合理论和仿真结果的波形，实验的自我评价：（1）在实验过程中出现错误和不理想的结果是必然的，重要的是需要我们及时发现问题，分析问题和纠正错误，我们在实验过程中出现了很多问题，从选择性能好质量好的元器件以及芯片，到仿真电路，到焊接电路，再到调试电路，我们都出现了种种问题，在老师和同学的帮助下及时改正了错误，互相交流想法是很重要的，促进我们小组之间互相学习，有了一定的进步。（2）这次设计制作，让我们对模电的电路设计又有了进一步的认识，提高了我们的动手能力和思考问题的能力，实验过程中需要耐心的去思考问题，想各种办法解决问题，对于我们是一次很好的锻炼机会，完成实验目的后很有成就感。（3）这次实验更加突出了理论和实践结合的重要性，实际总会和理论有一定的误差，要把理论知识灵活运用到实践中，才能完成任务。指导老师评语及得分：签名：年月日',)