创新课题设计报告
题
锁相环路滤波器的设计
目：
姓 名： 梁勇 专 业： 通信工程
08042135
班级学号：
指导教师： 刘敏
南昌航空大学信息工程学院
20 11 年 10 月 26日
课程设计任务书
20 10－20 11 学年 第 2 学期 第 1 周－ 20 周
注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
滤波器在通信中经常用到的一个模块，具有成熟的设计理论，一个好的滤波器能让整个电路的效果更为清晰、直观，因而对信号的要求直接体现在滤波器上。滤波效果影响到整个电路的好坏，不同功能的滤波器能让信号跟着要求走，使设计理想。 此次设计的二阶有源低通滤波器能够过滤不需要的载频分量和高频噪声，可以有效的抑制压控震荡引起的寄生输出。
关键字：
滤波器 效果 有源
目 录
第一章 题目要求与方案论证 ····························································································· 5 1.1 题目要求 ············································································································· 5 1.2 方案论证 ············································································································· 5 1.3 工作原理 ············································································································· 6 第二章 电子线路设计与仿真 ····························································································· 8 2.1 设计思路 ··········································································································· 8 2.2 参数选择 ··········································································································· 8 2.2 二阶有源低通滤波器 ························································································ 8 第三章 结果与分析 ·············································································································· 10 第四章 心得体会 ·················································································································· 12 参考文献 ···································································································································· 13 附录 芯片资料 ·························································································································· 14
第一章 题目要求与方案论证
1.1题目要求
抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由压控振荡器控制电压不纯而引起的寄生输出。采用无源滤波器可以达到电路结构简单、低噪声、高稳定度的目的。由于上次设计的无源滤波器仿真效果不理想，老师让我们改做有源滤波器。 设计二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品质因数Q=0.707。分析电路工作原理，设计电路图，列出电路的传递函数，正确选择电路中的参数。
1.2 方案论证
（1）：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。
滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： ① 无源滤波器:
由电感L 、电容C 及电阻R 等无源元件组成 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。 从功能来上有源滤波器分为：
低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、 带通滤波器（BPF ）、带阻滤波器（BEF ）、 全通滤波器（APF ）。
其中前四种滤波器间互有联系，LPF 与HPF 间互为对偶关系。当LPF 的通带截止频率高于HPF 的通带截止频率时，将LPF 与HPF 相串联，就构成了BPF ，而LPF 与HPF 并联，就构成BEF 。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP 、通带截止频率fP 及阻尼系数Q 等。
1.3 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课题。 有源二阶滤波器基础电路如图1所示：
图1 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-90º，两级RC 电路的移相到-180º，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： A (s ) =
令 A 0=A V F 称为通带增益
Q =
1
称为等效品质因数 3-A V F
1
称为特征角频率 RC
V o (s ) A V F
= V i (s ) 1+(3-A V F ) sCR +(sCR ) 2
ωc =
则A (s ) =
s 2+
n
Q
A 0ωc 2
s +ωc 2
上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式 注： 当 3-A V F >0 ，即 A V F
第二章 电子线路设计与仿真
2.1 设计思路
滤波器是一种使信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。在信息处理，数据
传输和抑制干扰等自动控制，通信等电子系统中应用广泛。滤波器一般可分为有源和无源两种，有源滤波可以使幅频特性陡峭，而无源滤波器简单易行，但幅频特性不如有源滤波，而且无源体积较大。滤波器的阶数有一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。高阶滤波是由一阶和二阶级联组成的。采用集成运放构成的RC 有源滤波具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。压控电压二阶低通有源滤波是有源很重要的一种，并且有成熟的结构和参数计算可工参考，因此选择该滤波器来设计。
2.2 参数选择
我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品质因数Q=0.707。 由
Q =3-A VF
=0.707可以求得A VF ，所以低通滤波器的通带电压增 A 0=A VF =1.586
选择C=82nF,选择标准电阻R=9.09 KΩ，Rf=2.55 KΩ。
要使A 0=15, 则还须再接一个放大电路，使得一级输出被放大9.43倍，则总增益达到15左右。
2.3 二阶有源低通滤波器
二阶有源低通滤波器是为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，改善滤波效果，在一阶低通滤波器的基础上再加上一节RC 低通滤波环节。 设计仿真电路如图：
图2 二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图
Multisim 环境下，创建上图所示电路，启动仿真按钮，改变输入电压，观察输出电压的幅频特性变化，并截图。
第三章 结果与分析
图3 二阶有源低通滤波器仿真波形图（1）
分析上图知电路的截止频率在989HZ 左右，与题目要求稍微有点偏差，这是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内电压放大倍数引起的，在误差允许的范围
之内。
图4 二阶有源低通滤波器仿真波形图（2）
所加输入信号的有效电压Vi=120mv,波形入Channel-A 所示; 输出电压波形入Channel-B 所示，其最大电压约为2.570V ，故输出电压的有效电压值Uo=2.570 x 0.707 =1816.99(mv);由以上分析知通带内电压放大倍数A 0=Uo/Vi=15.14,和题目要求存在极小偏差，在误差允许的范围之内。
综上所分析得知我组所设计的二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图符合题目要求，是正确的。
第四章 心得体会
经过这么久的查找与仿真，我学到了很多的东西。在一开始拿到题目后，要如何的根据要求和功能选择滤波器，之后如何的选择设计方法。模拟滤波器的设计理论是很成熟的，虽然我在《模拟电子技术基础》课程里面上了理论课，但在实际应用时，发现参数的选取、匹配非常的棘手，于是我运用《数字信号处理》课上学的滤波器设计方法来，这样问题便容易了。
但是在仿真的时候，我们原来设计的无源滤波器并不理想，在不该衰减的频率上就衰减了，通带非常不理想，和理论计算的结果相差很大，于是就改做有源的。在《模电》书上，找到了二阶有源低通的电路图，虽然和巴特沃斯的设计方法不一样，但却可以得到类似的理论结果。
由于很久都没有使用MULTISIM 仿真，以致连最基本的调试都忘记，软件和理论知识是一样的，久了不去实践就会忘记，就像学过的MATLAB ，PROTEL ，再次体会到大学不是来消遣的，而是来学知识，用知识的。
参考文献
[1]→童诗白．华成英→模拟电子技术基础．→北京：→高等教育出版社，→2007年 [2]→高西全．丁玉美→数字信号处理．→西安：→西安电子科技大学，→2008年 [3]→朱达群. 施围著→电子电气电路仿真．→北京：→中国电力出版社，→ 2009 [4]→郑君里．→信号与线性系统分析．→北京：→高等教育出版社，→2000
附录 芯片资料
产品型号：LM324N
LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：
●具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V~30V，双电源±1.5V~±15V ●内含相位校正回路, 外围元件少
●消耗电流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=∞) ●输入失调电压低:±2mV (典型值) ●电压输出范围宽：0V ~ Vcc—1.5V ●共模输入电压范围宽：0V ~ Vcc—1.5V ●封装形式：DIP14
图5 LM324N实物图
LM324M ：运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V 或+16V。
LM324M 的特点：短跑保护输出、真差动输入级、可单电源工作：3V-32V4. 低偏置电流：最大100nA （LM324A ）、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。
图6 LM324N管脚图
创新课题设计报告
题
锁相环路滤波器的设计
目：
姓 名： 梁勇 专 业： 通信工程
08042135
班级学号：
指导教师： 刘敏
南昌航空大学信息工程学院
20 11 年 10 月 26日
课程设计任务书
20 10－20 11 学年 第 2 学期 第 1 周－ 20 周
注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
滤波器在通信中经常用到的一个模块，具有成熟的设计理论，一个好的滤波器能让整个电路的效果更为清晰、直观，因而对信号的要求直接体现在滤波器上。滤波效果影响到整个电路的好坏，不同功能的滤波器能让信号跟着要求走，使设计理想。 此次设计的二阶有源低通滤波器能够过滤不需要的载频分量和高频噪声，可以有效的抑制压控震荡引起的寄生输出。
关键字：
滤波器 效果 有源
目 录
第一章 题目要求与方案论证 ····························································································· 5 1.1 题目要求 ············································································································· 5 1.2 方案论证 ············································································································· 5 1.3 工作原理 ············································································································· 6 第二章 电子线路设计与仿真 ····························································································· 8 2.1 设计思路 ··········································································································· 8 2.2 参数选择 ··········································································································· 8 2.2 二阶有源低通滤波器 ························································································ 8 第三章 结果与分析 ·············································································································· 10 第四章 心得体会 ·················································································································· 12 参考文献 ···································································································································· 13 附录 芯片资料 ·························································································································· 14
第一章 题目要求与方案论证
1.1题目要求
抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由压控振荡器控制电压不纯而引起的寄生输出。采用无源滤波器可以达到电路结构简单、低噪声、高稳定度的目的。由于上次设计的无源滤波器仿真效果不理想，老师让我们改做有源滤波器。 设计二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品质因数Q=0.707。分析电路工作原理，设计电路图，列出电路的传递函数，正确选择电路中的参数。
1.2 方案论证
（1）：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。
滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： ① 无源滤波器:
由电感L 、电容C 及电阻R 等无源元件组成 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。 从功能来上有源滤波器分为：
低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、 带通滤波器（BPF ）、带阻滤波器（BEF ）、 全通滤波器（APF ）。
其中前四种滤波器间互有联系，LPF 与HPF 间互为对偶关系。当LPF 的通带截止频率高于HPF 的通带截止频率时，将LPF 与HPF 相串联，就构成了BPF ，而LPF 与HPF 并联，就构成BEF 。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP 、通带截止频率fP 及阻尼系数Q 等。
1.3 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课题。 有源二阶滤波器基础电路如图1所示：
图1 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-90º，两级RC 电路的移相到-180º，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： A (s ) =
令 A 0=A V F 称为通带增益
Q =
1
称为等效品质因数 3-A V F
1
称为特征角频率 RC
V o (s ) A V F
= V i (s ) 1+(3-A V F ) sCR +(sCR ) 2
ωc =
则A (s ) =
s 2+
n
Q
A 0ωc 2
s +ωc 2
上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式 注： 当 3-A V F >0 ，即 A V F
第二章 电子线路设计与仿真
2.1 设计思路
滤波器是一种使信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。在信息处理，数据
传输和抑制干扰等自动控制，通信等电子系统中应用广泛。滤波器一般可分为有源和无源两种，有源滤波可以使幅频特性陡峭，而无源滤波器简单易行，但幅频特性不如有源滤波，而且无源体积较大。滤波器的阶数有一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。高阶滤波是由一阶和二阶级联组成的。采用集成运放构成的RC 有源滤波具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点。压控电压二阶低通有源滤波是有源很重要的一种，并且有成熟的结构和参数计算可工参考，因此选择该滤波器来设计。
2.2 参数选择
我们的设计题目是二阶有源低通滤波器。要求截止频率f0=1000HZ；通带内电压放大倍数A0=15，品质因数Q=0.707。 由
Q =3-A VF
=0.707可以求得A VF ，所以低通滤波器的通带电压增 A 0=A VF =1.586
选择C=82nF,选择标准电阻R=9.09 KΩ，Rf=2.55 KΩ。
要使A 0=15, 则还须再接一个放大电路，使得一级输出被放大9.43倍，则总增益达到15左右。
2.3 二阶有源低通滤波器
二阶有源低通滤波器是为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，改善滤波效果，在一阶低通滤波器的基础上再加上一节RC 低通滤波环节。 设计仿真电路如图：
图2 二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图
Multisim 环境下，创建上图所示电路，启动仿真按钮，改变输入电压，观察输出电压的幅频特性变化，并截图。
第三章 结果与分析
图3 二阶有源低通滤波器仿真波形图（1）
分析上图知电路的截止频率在989HZ 左右，与题目要求稍微有点偏差，这是由于电阻和电容的设置存在偏差及兼顾通带内电压放大倍数引起的，在误差允许的范围
之内。
图4 二阶有源低通滤波器仿真波形图（2）
所加输入信号的有效电压Vi=120mv,波形入Channel-A 所示; 输出电压波形入Channel-B 所示，其最大电压约为2.570V ，故输出电压的有效电压值Uo=2.570 x 0.707 =1816.99(mv);由以上分析知通带内电压放大倍数A 0=Uo/Vi=15.14,和题目要求存在极小偏差，在误差允许的范围之内。
综上所分析得知我组所设计的二阶有源低通滤波器仿真模拟电路图符合题目要求，是正确的。
第四章 心得体会
经过这么久的查找与仿真，我学到了很多的东西。在一开始拿到题目后，要如何的根据要求和功能选择滤波器，之后如何的选择设计方法。模拟滤波器的设计理论是很成熟的，虽然我在《模拟电子技术基础》课程里面上了理论课，但在实际应用时，发现参数的选取、匹配非常的棘手，于是我运用《数字信号处理》课上学的滤波器设计方法来，这样问题便容易了。
但是在仿真的时候，我们原来设计的无源滤波器并不理想，在不该衰减的频率上就衰减了，通带非常不理想，和理论计算的结果相差很大，于是就改做有源的。在《模电》书上，找到了二阶有源低通的电路图，虽然和巴特沃斯的设计方法不一样，但却可以得到类似的理论结果。
由于很久都没有使用MULTISIM 仿真，以致连最基本的调试都忘记，软件和理论知识是一样的，久了不去实践就会忘记，就像学过的MATLAB ，PROTEL ，再次体会到大学不是来消遣的，而是来学知识，用知识的。
参考文献
[1]→童诗白．华成英→模拟电子技术基础．→北京：→高等教育出版社，→2007年 [2]→高西全．丁玉美→数字信号处理．→西安：→西安电子科技大学，→2008年 [3]→朱达群. 施围著→电子电气电路仿真．→北京：→中国电力出版社，→ 2009 [4]→郑君里．→信号与线性系统分析．→北京：→高等教育出版社，→2000
附录 芯片资料
产品型号：LM324N
LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：
●具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V~30V，双电源±1.5V~±15V ●内含相位校正回路, 外围元件少
●消耗电流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=∞) ●输入失调电压低:±2mV (典型值) ●电压输出范围宽：0V ~ Vcc—1.5V ●共模输入电压范围宽：0V ~ Vcc—1.5V ●封装形式：DIP14
图5 LM324N实物图
LM324M ：运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V 或+16V。
LM324M 的特点：短跑保护输出、真差动输入级、可单电源工作：3V-32V4. 低偏置电流：最大100nA （LM324A ）、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。
图6 LM324N管脚图