二阶有源低通滤波器电路设计 Multisim仿真

ID:575483 · 发表于 2020-6-20 15:16

设计二阶有源低通滤波器。采用LM741完成，上限频率fH100HZ，通带增益AV≥1，品质因数Q=0.707，电源电压VCC=+12V，测量频率特性。
方案论证与分析

方案一：VCVS压控电压源型二阶低通滤波电路

该方案具有输出阻抗低原件差值范围小，放大能力较高等优点，此外，该电路易于调整，其增益值可用电位器微调R3和R4而得到。

方案二：无限增益多路反馈二阶低通滤波电路

该方案由反向端输入，失真较小，元件灵敏度要求较低。

工作原理：

二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路 , 也是高阶滤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课题。

有源二阶滤波器基础电路如下图所示

二阶有源低通滤波基础电路

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 o，两级RC 电路的移相到-180 o，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。

传输函数为：

为通带增益

为等效品质因数

为特征角频率

上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式

注：当 3 -AVF＞0，即 AVF＜3时滤波电路才能稳定工作。

芯片介绍：

产品型号：LM741

概述与特点：LM741是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。本电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。LM741可应用于各种数字仪表及工业自动控制设备中。

LM741特点

　　(1)不需要处部频率补偿

　　(2)输入有过压保护

　　(3)输出有过载保护

　　(4)无阻塞和振荡现象

引脚功能

　　LM741是一款8引脚DIP芯片，这意味着它有8个引脚，它们都具有不同的功能。

　　下面是LM741运算放大器芯片的引脚图：

LM741引脚功能说明

工作原理当非反相输入(+)的电压高于反相输入( - )的电压时，比较器的输出为高电平。如果反相输入( - )的电压高于非反相端(+)，则输出为低电平。

仿真

2.1 二阶有源低通滤波器 元件选取与搭建

我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求截止频率 f0=100HZ；，品质因数Q=0.707。由=0.707 可以求得 =1.586，设计仿真电路如下图所示

为便选取R1 =R2=R，C1=C2=C，则通带截止频率为f0=fn=100HZ，可首先选定电容C=1nF，由R=1/(2*PI*fc)计算得R=1.59 kΩ，选R=1.6kΩ。等效品质因数Q=0.707，故Au=1.59，即1+R4/R3 =1.59，则R4=0.59R3 。为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡，应使R3//R4=2R=32 kΩ，则R3=9kΩ，R4=5 kΩ。

2.2 结果与分析

二阶有源低通滤波器仿真波形图 60Hz 80Hz

当输入信号的频率为60Hz或者,80Hz时,输出波形与输入波形基本一致。

100Hz

100Hz时两波形最为接近。

500Hz 1000Hz

当输入信号的频率大于截止频率时，选取 500Hz和1kHz ，500Hz时输出信号较输入信号已有明显的衰减。很明显，1kHz基本上已经没有输出了。

f(Hz)	Ui(V)	Uo（V）	A
50	9.85	10.93	1.11
60	9.85	10.91	1.11
70	9.95	10.88	1.11
80	9.92	10.84	1.09
90	9.85	10.58	1.07
100	9.84	10.43	1.05
110	9.91	9.33	0.94
120	9.72	8.35	0.86
500	9.96	0.57	0.05
1000	9.99	0.14	0.01