模拟电路课程设计报告
课程题目：二阶低通滤波器和50HZ陷波滤波器
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指导老师：
二〇一四年十二月二十六日
模拟电路课程设计
一、 课程设计的目的
1.培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考﹑深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。
2. 利用所学过的知识，通过设计计算﹑元件选取﹑电路板制作调试等环节，初步掌握工程设计的技能。
3.掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，使学生巩固和加深对数字逻辑电路的理论知识，锻炼学生的动手能力。
4.了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。
5.培养严谨的工作作风和科学态度，使学生逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。
二、 课程设计的内容
1.题目： 二阶低通滤波器
（1）设计二阶低通滤波器，电源电压+5V，要求完成下面的技术指标：
a. 滤波器的截止频率fH ≤100HZ；
b. 通带电压增益Au ≥ 1 ；
思考题：计算电路的品质因数Ｑ值，研究Ｑ对输出波形有何影响？
（2）可选用的器件与元件
运放LM324、电阻、电容
2.题目： 50HZ的陷波滤波器
（1）设计50HZ的陷波滤波器，电源电压+5V，电路要求完成下面的技术指标： a. 滤波器的陷波频率f0 =50HZ；
b. 阻带带宽BW0.7 ≤20 HZ；
c. 通带电压增益Au ≥ 1；
思考题：计算电路的品质因数Ｑ值，研究Ｑ对输出波形有何影响？
（2）可选用的器件与元件
运放LM324、电阻、电容
3.实验所需仪器
25MHz数字存储示波器
稳压电源
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1台 1台 任意波形信号发生器 数字万用表 1台 1台
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三、 课程设计步骤
（一） 二阶低通滤波器
1、二阶低通滤波器分为无源滤波器5与有源滤波器两种：
① 无源滤波器:由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成，由于无源滤波器通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。本次课程设计要求为低通滤波器，因此不考虑无源滤波器。
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。
2、工作原理：
有源低通滤波电路基本概念：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。滤波电路的作用就是允许某段频率范围内的信号通过，而阻止或削弱其他频率范围的信号。有源滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，又称为有源滤波器。有源滤波器能够在滤波的同时还能对信号起放大作用，这是无源滤波无法做到的。本次课程设计讨论的是有源低通滤波电路。有源低通滤波电路能够通过低频信号，抑制或衰减高频信号。
二阶有源低通滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路,也是高阶虑波器的基本组成单元。常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反馈型和双二次型。本次课程设计采用压控电压源型设计。
有源二阶滤波器基础电路如图1所
示。它由两节RC滤波电路和同相比例放
大电路组成，在集成运放输出到集成运
放同相输入之间引入一个负反馈，在不
同的频段，反馈的极性不相同，当信号
频率f>=f0时（f0 为截止频率），电路
的每级RC 电路的相移趋于-90?，两级
RC 电路的移相到-180?， 图1 二阶有源低通滤波电路
电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。满足本次课程设计要求。
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AupVo(s)传输函数为： A(s)? ? 21?(3-A)sCR?(sCR)Vi(s)up
令 A?Aup (通带增益) Q?11（等效品质因数） ?c?（特征角频率） RC3?AupF
则A(s)?A?c2
s2?n
Q,Q为品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特s??c2
性的形状。通过分析可知：当信号频率大于截止频率时信号的衰减率只有20dB/十倍频。而且在截止频率附近，有用信号也受到衰减。二阶压控有源低通滤波电路衰减可以达到40dB/倍频。而且在截止频率附近，有用信号可以得到一定 提升。如果Q =0.707 时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q >0.707 时,幅频特性将出现峰值。
元件介绍：运放LM324：LM324系列器件为价格便宜
的带有真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
有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、
“V-”为正、负电源端，“Vo”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Vo
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Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见右图。
4、仿真设计：
二阶有源低通滤波器的参数计算：二阶有源低通滤波器要求的截止频率f<=100HZ；通带内电压放大倍数Aup>=1。当品质因数Q=0.707时，曲线的过渡过程最好。
由公式： Q?3?1Aup=0.707
可以求得低通滤波器的通带电压增 Aup =1.586即：Aup =1+Rf/R1=1.586
查表可知：当截止频率在10-100HZ范围内时，选择滤波电容1-10uf效果较好。 取C1=C2=4.7uF,滤波电阻R1=R2=1 KΩ。
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由公式：f?2RC可得到截止频率f=33.88HZ满足题目的要求。
由阻抗匹配可知，2R= Rf // R1
联立可求的R1=2.2k，Rf =1.3k。
设计仿真电路如图2：由图知电路的截止频率在31HZ左右，与理论值33.88HZ接近，在误差允许的范围内。
图2 二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图
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图3 二阶有源低通滤波器实物连接图
5、数据记录：
将图3中电路接入低频实验室的5V交流稳压电源，输入函数信号发生器产生的峰峰值为2V的10hz正弦信号接入电路，并将输入输出信号接入示波器中观测，将数据填入下表中。
表1 二阶有源低通滤波器实验数据记录表6、数据计算：
由上表可知当频率为28Hz时信号输出的峰峰值开始变小，故可知Umax=3.2V,因为Uh=0.707Umax，故Uh=2.3V,调节频率大小使得输出信号的峰峰值为2.3V,此时的频率便为该低通滤波器的截止频率的理论值f=32Hz。
截止频率的计算值f1=1／（2πRC）=1／（2*3.14*1000*0.0047）≈33.88Hz
误差分析：
△=（f1—f)／f1=（(33.88-30)／33.88）*100%=5.5%
在误差允许的范围内，认为该低通滤波电路具备正常功能。
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（二)、双T型50Hz陷波滤波器
1、双T型50Hz陷波滤波器
陷波滤波器又称带阻滤波器，主要用于滤除某一不需要的频率。在我国采用的是50Hz频率的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时，常会存在50hz的工频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此50Hz陷波器在日常成产生活中被广泛应用，其技术已基本成熟。工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。
2、工作原理：
双T型50Hz陷波滤波器由低通和高通滤波电路加上运算放大器构成。其中，输入端连接到运放的正端，电阻作为反馈网络串联在输入回路中，且反馈电压正比于输入电压，引入串联电压负反馈，构成同相比例运算放大器。低通和高通滤波电路连接成T型，所以被称为双T网络有源带阻滤波电路。电路的中心频率f0 =50Hz，对于f > f0 的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，信号可经过电容直接传输到运放的同相输入端即Ui=U+；对于f < f0 的低频信号，电容2C的阻抗非常高，信号可经两个串联的电阻R直接传输到运放的同相端即Ui=U+；只有当f=f0的信号输入时，分别经过两个通道传输：从高通滤波通道（两个电容C和一个电阻R/2构成）输出的电压比输入电压超前一个略小于π/2的相位；从低通滤波通道（两个电阻R和一个电容2C构成）输出电压比输入电压落后一个略小于π/2的相位。两路传输到同相输入端的电压正好大小相等、相位相反，相互抵消，因此放大器输出电压近似为零 。电路如下图所示。
电路的中心频率f0?12?RC，选定2C值为10/50＝0.2 uF，于是C1 =0.1uF，则可以求出R＝32k。Ra、Rb决定了Q值，Q值越大，陷波宽带越窄，Q=1/(2(2-Aup))。于是可选电阻为Rf＝125k，R4＝130k，则Q=20。于是可得仿真电路图如图4所示，从仿真效果来看，中心频率接近与50Hz，且可以有效陷波。阻带BW的公式为：BW?
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2?f0=15.7。 Q
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3、电路元件清单：
4、仿真设计：
图4 50hz陷波滤波器仿真模拟电路图
5、数据记录：
将图5所示实验电路接入低频实验室的+/-5V交流稳压电源，输入函数信号发生器产生的峰峰值为1V的50hz正弦信号接入电路，调节信号发生器使频率在30-70Hz之间并将输入输出信号接入示波器中观测，将数据填入下表中。
表2 50Hz陷波滤波器实验数据记录表
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6、数据计算：
由上表可知当频率为50Hz时信号输出的峰峰值最小，在-3dB时频率分别为42Hz和58Hz，则BW0.7=16Hz，与15.7Hz接近，在误差允许的范围内，认为该陷波滤波电路具备正常功能。
图5 50hz陷波滤波器实物连接图
四、 课程设计体会：
经过几个星期的调试，终于基本满足课程设计题目的参数要求，其中有许多次调试失败。究其原因是没有真正理解所选电路中各元器件所起的作用，出现错误就无从解决。这给我留下了深刻印象，使我明白在电路设计中不能马虎应付，于是从头开始学习模拟电路的一些知识。在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及不能出现实验结果的情况，经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，才一步步的解决问题，并最终得出实验结果。
在课程设计中，我的收获是巨大的。首先在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计中，这是一个不断成长和成熟的过程。其次通过不间断的学习来解决一个又一个难题，遇到难题时应该抱有一个平淡的心态，以一个寻求答案的，渴望的思想去找到解决问题的方法，最终将问题解决。我明白了基本的理论知识和实践设计的差别，好多理论上可以执行的东西有时候是调试不出来的，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是实验设备的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探寻和调试才可以达到目的。
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五、 参考文献：
[1] 廖惜春主编. 模拟电子技术基础. 北京：科学出版社，2011，160-168&178-184
[2] 王宏，黄培先，温浩主编. 模拟电子技术实验指导书.2014
[3] 伊勇，李林凌主编.multisim电路仿真入门与进阶. 科学出版社，2005
[4] 百度百科：LM324集成运放 ，（ 2014/12/24 ）
[5] 百度百科：LM324及其应用 ，（ 2014/12/24 ）
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第二篇：模拟电路课程设计实验报告模板
[注意：本报告一律采用“大连理工大学实验报告”用纸书写，不能采用计算机文档打印形式。要求字迹工整、文字简练，数据和图表完备，电路图要标注元器件符号及必要的参数。图和表格一律用尺、铅笔绘制，需要标注和填写的参数及数据一律用铅笔填写]
大连理工大学
模拟电路课程设计报告
任务一：[根据自己所选题目填写]
任务二：[根据自己所选题目填写]
学院（系）：
专 业：
班 级：
学 号：
姓 名：
2013—2014学年第二学期（春季）
题目：
1．设计指标及要求并
这里主要叙述设计题目要求、主要技术指标等。
2．系统方案设计分析
这里应该有对设计要求进行分析的文字说明，在此基础上给出系统总体结构框图。
3．各功能模块硬件电路设计及测试分析
根据系统框图，逐级设计各功能模块的硬件电路，计算电路参数值，搭接实验电路，测试实验数据，分析测试结果。
单元电路原理图要求用直尺和铅笔绘制，测试数据用铅笔记录。 每级电路都应有结果分析。
根据测试数据的不同，需要绘制波形图或特性曲线的，必须按规范绘制。
4．电路原理图
电路总图用软件绘制（也可以不做）。
5．元件表
元件表中应该包括器件名称，主要参数，器件数量，引脚封装等主要信息。
6. 结论
分析电路设计过程中成功或者失败的原因，总结设计经验。
7. 参考文献