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《现代电子系统设计》课程设计报告

基于Lm324的低频滤波器的设计

班 级:学 号:姓 名:指导教师:

电子09-2班 0906040202 陈磊 白立春

一、设计要求

1.学生完成一个课题的理论设计,加深专业知识的理解,培养专业实践技能,提高他们分析解决问题和解决问题的能力。

2.本课程设计需要从实际出发,通过调查研究,查阅资料,设计方案比较及设计计算等环节,得出较好的设计方案,设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求,还要做出符合设计要求的实际电路。

3.原则上一个学生一个课题;也可以根据教师所出题目要求,多名学生采取分工负责的办法,共同完成一个大的课题。

4.考核学生掌握计算机和EDA工具软件的能力,课程设计说明书要求至少在3000字以上,必须要有至少1张A4原理图纸。

二、设计目的

1、了解滤波器的工作特点 2、掌握电子系统的一般设计方法

3、培养综合运用所学知识来指导实践的能力 4、熟练计算机和EDA等工具软件的操作

三、设计的具体实现

1、系统概述

滤波器,顾名思义,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展,为了便于计算机对信号进行处理,产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。滤波,本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

在电子电路中,输入信号的频率有很多,其中有些频率是需要的工作信号,

有些频率是不需要的干扰信号。如果这两个信号在频率上有较大的差别,就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。滤波电路的作用是允许模拟输入信号中某一部分频率的信号通过,而阻断另一部分频率的信号通过。

LM324系列由四个独立的,高增益,内部频率补偿运算放大器,其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。

应用领域包括传感器放大器,直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如,可直接操作的LM324系列,这是用来在数字系统中,轻松地将提供所需的接口电路,而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。 特点:

? 短路保护输出 ? 真差动输入级 ? 可单电源工作:3V-32V ? 低偏置电流:最大100nA ? 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

2、单元电路设计

1、运放电路的工作原理

LM324系列器件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。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有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。

图2.1 运算放大器符号 图2.2 LM324管脚连接图 由于LM324四运放集成电路既可接单电源使用(3 ~30V),也可以接双电源使用(±1.5 ~±15V),不需要调零,具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。 2.2有源带通滤波器的工作原理

带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过,而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。注意:要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。典型的带通滤波器可以由RC低通滤波器和RC高通滤波器串联而成,从而实现了“带通滤波”的要求。

有源带通滤波器的具体电路如图2.4所示。由此电路可知,电阻R1与C组成低通滤波器,后面一个电容C与电阻R2组成高通滤波器,二者串联在一起组成带通滤波器。除此之外,R4与Rf组成同相比例运算电路,R3则是为改善电路特性而引入的反馈。

图2.4 有源带通滤波器电路图 图2.5 幅频特性曲线 带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过,而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。其有较好的幅频特性,幅频特性曲线如图2.5所示。 3直流稳压电源的设计

很多电子设备、家用电器都需要直流电源供电,其中除了少量的低能耗、便携式的仪器设备选用干电池供电外,绝大多数的电子设备正常工作需要直流供电,而常用的电源——市电是220V的交流电,因此需要把交流电变成直流电。变换的方法就是由交流电经过变压、整流、滤波、稳压四个步骤来获得直流稳压电源。 3.1直流稳压电源的工作原理

直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

变压电路的作用是将220V的交流电变换成电路所需的低压交流电;整流电路的作用是将交流电变换成具有直流电成分的脉动直流电;滤波电路的作用是将脉动直流中的交流成分滤除,较少交流成分,增加直流成分;稳压电路的作用是对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。 3.2整流电路的工作原理

整流电路是利用二极管的单向导电性,把交流电变成脉动直流电的电路。单相桥式全波整流电路由四个二级管组成, 3.3电容滤波电路的工作原理

电容滤波电路利用电容元件储能的特性,将整流后输出的脉动直流电压的能量储存起来,然后缓慢的释放给负载。尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉,使输出电压成为比较平滑的直流电压。 (1) 参数的计算

a. 耐压电流

b.放电时间常数范围

c.输入输出关系

d.波动系数

(2) 电容滤波电路的优点

1)电容滤波电路适用于小电流负载。 2)电容滤波电路的外特性比较软。

3)采用电容滤波时,整流二极管中将流过较大的冲击电流。必须选用较大容量的整流二极管。

4)电容滤波后,输出直流电压提高了,同时输出电压的脉动成分也降低了,而且输出直流电压与放电时间常数有关RLC→∞,Uo=1.4U2,S=0。 (3) 参数选择

电容放电的时间常数 τ =RLC 愈大,放电过程愈慢,则输出电压愈高,同时脉动成分也愈少,即滤波效果愈好。故应该选择一个大一些的电容。

S?Uo1m1?RCUo4L?1TUo?1.2U2IF?(2?3)1Uo2RLRLC?(3?5)T2稳压电路的输出端接有保护二极管,如图3.6所示。如果不接保护二极管,CW7815输出电压通过RL加到CW7915的输出端,必将CW7915烧毁。在正常工作情况下,两个保护二极管均处于截止状态,不影响电路的工作。假如,CW7915输入电压未接入,此时CW7815输出电压将通过外接负载接到CW7915的输出端,使得D3正向导通,将CW7915输出端输出电压钳位在+0.7V,保证CW7915不致损坏。

图3.6 直流稳压电源设计电路图

四、结论与展望

运用AD等仿真软件,绘制相应的电路图,对计算出的参数进行验证。

反复推导,使参数更加符合要求。对在本专业的应用有了新的认识,可以在以后的基础课程学习和专业课程上用它来解决很多问题,更好的掌握AD的使用方法和技巧,对以后的学习生活有很大的帮助。而对滤波器电路的理论分析,让我对模拟电子技术基础的相关知识进行了复习,更深一个层次的掌握运放的相关概念和使用技巧,懂得运用运放解决实际的问题,感受到运放是模拟电子的基础。

五、心得体会及建议

这次课程设计中不仅验证了我所学习的知识,也培养了我如何去把握一件事

情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。在设计过程中,与同学分工设计,和同学们相互探讨,相互学习,相互监督。学会了合作,学会了宽容,学会了理解,也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,着是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不可少的过程.“千里之行始于足下”,我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

现代电子系统课程设计,这是我大学的又一个课程设计,对于我个人来说,意义重大。在这次课程设计中,通过查找相关书籍和相关资料,我增长了不少相关知识。阅读相关书籍后,确定各种电路的模型。通过大量的演算,得出各类元件的参数,验算求证

通过这次课程设计,我加强了自己掌握和理解书本知识的能力,培养了自己的实际动手能力与综合设计能力,并提高了自己的技术素质。基本达到了了解模电课程设计的任务,明确了运放的基本原则,掌握了仿真设计的基本方法。加深了自己对模电这门课程的理解。希望自己在以后的学习生活中不断加强自我学习的能力,努力完善自己。

六、参考文献

[1]邱关源,罗先觉.电路.高等教育出版社.2006.05

[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2002.05 [3]Walt Jung.运算放大器应用技术手册.人民邮电出版社.2009.01 [4]冈村廸夫.OP放大电路设计.科学出版社.2008.08

[5]吴友宇,伍时和,凌玲. 模拟电子技术基础.清华大学出版社.2009.05

总原理图