四阶巴特沃斯低通滤波器设计

目录 第一章:整体思路
第二章:电路设计
第三章:实验与分析
1、时域分析
2、频域分析
3、S域分析
第四章:总结
第五章:附录
第一章 整体思路 本次设计围绕四阶巴特沃斯低通滤波器,从电路设计,时域分析,频率分析,S域分析几个方面着手,通过理论分析、仿真实验、真实测量来研究和验证整个系统的性质。在时域上验证系统的冲激响应和阶跃响应以及零输入响应;在频域分析上验证系统的幅频曲线和相频曲线;在S域上通过极点分布研究系统是否稳定。
第二章 电路设计 1、运放芯片的选择
本次实验的截至频率不大于1KHZ,带宽不大于1MHZ,选择通用运放芯片即可,最后决定采用LMV358这个通用芯片。
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2、电路原理图
四阶巴特沃斯低通滤波器设计
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通过查表法可得,四阶巴特沃斯的一级电路的放大系数为1.152,第二级放大系数为2.235。
则R2/R1=1.152-1=0.152,R4/R3=2.235-1=1.135。所以选取电阻值为R1=100KΩ,R2=15.2KΩ,R1=10KΩ,R1=12.35KΩ。用于滤波的电阻均采用20kΩ,电容采用0.01uf。则谐振频率f0=1/(2ΠRC)≈795HZ。电路的总增益Av=1.1522.235=2.57472。以下为系统传递函数的求解过程。
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第三章:实验与分析
1、时域分析
①阶跃响应
a、理论分析:
用matlab通过拉普拉斯逆变换求得系统函数
1/s的时域表达式。然后通过matlab画图得出时域表达式的图像。
输入命令:
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解得:
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输入命令:
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得到波形图:
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b、multisim仿真
阶跃信号的产生:
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设计参数时让频率足够小,占空比足够大,确保能够在模拟阶跃信号。
电路设计:
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仿真结果:
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可以看出仿真出来的波形基本正确,电压增益约为2.574,波形也与matlab一样。
c、实际效果
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②冲激响应
a、理论分析
在matlab输入:
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解得:
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输入:
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得到:
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b、multisim仿真
冲激信号的产生:
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仿真结果:
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可以看到刚开始时出现很高的电压,之后出现很低的电压,之后逐渐振荡减小,与理论分析一致。
c、实际效果
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③正弦函数响应
a、理论分析
输入命令:
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得到:
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b、multisim仿真
电路:
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结果:
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由上面的两张图可以看出,multisim的仿真结果与matlab基本一致。
c、实际效果
四阶巴特沃斯低通滤波器设计
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与理论值相比,电压幅度有一点差距,但是总体趋势是一致的。
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与理论值基本一致。
2、频域分析
①幅频曲线
a、理论分析
输入命令:
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得到:
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由图中可以看出通带增益为20lg(2.574)=8.21,截至频率为5000rad/s,即约为795HZ。由于两个阻尼系数经过特别设置,与之前计算的f0=1/(2ΠRC)≈795HZ相同。
b、multisim仿真
电路设计:
采用波特仪测量幅频曲线
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结果:
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由上图可知,在增益为5.25dB时,即-3dB点左右,频率约为795HZ,这与matlab的计算结果相同。
c、实际效果
实际测量部分图片:
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测量结果:
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【四阶巴特沃斯低通滤波器设计】由matlab画散点图可得:
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由图可见,实际测量效果与matlab和multisim的结果大致相同,理论上当f=795HZ时,20*lg(Av)=5.21,与图中的5.29相近。
②相频曲线
a、理论分析
输入命令:
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得到:
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由图中可以看出截至角频率为6210rad/s,即988HZ。在988HZ处,ΔΨ=-223°
b、multisim仿真
电路设计:
采用波特仪测量幅频曲线
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仿真结果:
四阶巴特沃斯低通滤波器设计
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由上图可以看到,结果与matlab计算结果基本一致。
c、实际效果
实际测量部分图片:
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测量结果:
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用matlab画相频曲线:
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由上图可以看出在f=988HZ时,对应的相位差为-224°,这和理论值-223°基本一致。
3、S域分析
输入命令:
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得到:
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由上图可以看出,极点均在左侧,所以系统是稳定的。
第四章:总结 本次实验实际上是对一个元器件已经固定的系统进行多方面的分析,先是查阅资料后按常规设计出电路,然后计算系统的传递函数,最后实验围绕系统传递函数展开。通过本次实验设计,意识到了理论知识的重要性。之前做过的二阶低通滤波电路,没有涉及阻尼系数的概念,采用20KΩ和0.01uf元件构建的二阶电路的截至频率并不是1/(2ΠRC),但是通过设置第一级与第二级的阻尼系数,可以让截止频率等于1/(2ΠRC)。
通过本次实验,学到了:
①matlab作为强大的数学计算工具,可以通过matlab计算截至频率,画频谱图,画各种信号的响应,matlab可以更多用于理论的计算。
②multisim中波特仪的使用方法,波特仪的幅频和相频的单位与matlab中用margin函数画出的图像的单位是一致的,但是matlab中频率用的是角频率,而multisim用的是HZ。只有在波特仪的起始值与终点值设置合理时波特仪才会显示图像。
③在matlab计算截至频率的过程中,卡在了margin的输入参数问题,最后发现必须用tf函数构建系统传递函数后才能作为margin的输入参数,即使传递函数已经化为包含s的式子。
④在制作电路时,放大系数用的电阻必须精确,这直接关系到频域响应。所以在本次实验中对于15.2KΩ和12.35KΩ的电阻采用两个0603封装的电阻串联使用,增大精确度。
第五章 附录 实际电路图
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Boom表
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原理图
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Pcb图
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