RC有源濾波器的設(shè)計(jì)

　　由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。

　　有源濾波器涵義

　　根據(jù)對(duì)頻率范圍的選擇不同，可分為低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）與帶阻（BEF）等四種濾波器，它們的幅頻特。

　　具有理想幅頻特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際的幅頻特性去逼近理想的。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計(jì)算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有源濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

　　1. 設(shè)計(jì)目的

　　1、學(xué)習(xí)RC有源濾波器的設(shè)計(jì)方法；

　　2、由濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)；

　　3、設(shè)計(jì)二階RC有源濾波器（低通、高通、帶通）；

　　4、掌握有源濾波器的測(cè)試方法；

　　5、測(cè)量有源濾波器的幅頻特性

　　2. 設(shè)計(jì)原理和指標(biāo)

　　有源濾波電路是指濾波電路中除了使用R、C等元件外，還應(yīng)用了集成運(yùn)放等有源濾波電路。濾波電路的作用是選出有用頻率的信號(hào)，使一定頻率范圍的信號(hào)能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍之外的信號(hào)衰減很大。通常稱可以通過的頻率范圍為通帶，不能通過的頻率為阻待。通帶和阻帶的 界限頻率稱為截止頻率。

　?。?） 低通濾波器：通帶增益AUF=2；截止頻率fH =2000Hz；Ui=100mV；阻帶衰減：不小于-20dB/10倍頻；

　?。?） 高通濾波器：通帶增益AUF=5；截止頻率fL =100Hz；Ui=100mV； 阻帶衰減：不小于-20dB/10倍頻；

　?。?） 帶通濾波器：通帶增益AUF=2；中心頻率：fO =1kHz；Ui=100mV；阻帶衰減：不小于-20dB/10倍頻。

　　3. 設(shè)計(jì)要求

　?。?）分別設(shè)計(jì)二階RC低通、高通、帶通濾波器電路，計(jì)算電路元件參數(shù)，擬定測(cè)試方案和步驟；

　?。?）在面包板或萬能板上安裝好電路，測(cè)量并調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)； （3）測(cè)量技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。

　　4. 參數(shù)確定

　　4.1 二階低通濾波器參數(shù)的確定

　　常用的有源二階低通濾波器電路有兩種形式，一種是無限增益多路負(fù)反饋有源二階低通濾波器電路，另一種是壓控電壓源（VCVS）有源二階低通濾波器電路。本文主要介紹壓控電壓源（VCVS）有源二階低通濾波器。具體電路如圖1所示，信號(hào)從運(yùn)放的同相端輸入，

　　故濾波器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，運(yùn)放A和R1 、Rf 組成電壓控制的電壓源，因此稱為壓控電壓源LPF。優(yōu)點(diǎn)是電路性能較穩(wěn)定，圖4壓控電壓源有源二階低通濾波器增益容易調(diào)節(jié)。

　　這種濾波器的傳遞函數(shù)為：

　　時(shí)，可以改變c?的值，但對(duì)Q和Auo的值沒有影響，為了使幅頻特性不出現(xiàn)凸峰，Q通常取0.7。

　　圖4電路的復(fù)數(shù)頻率特性為：

　　4.2 二階高通濾波器參數(shù)的確定

　　高通濾波器是一種用來傳輸高頻段信號(hào)，抑制或衰減低頻段信號(hào)的電路。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性越接近理想高通特性。

　　常用的有源二階高通濾波器電路有兩種形式：

　　一種是無限增益多路負(fù)反饋有源二階高通濾波器電路；另一種是壓控電壓源（VCVS）有源二階高通濾波器電路。

　　下面主要介紹壓控電壓源（VCVS）有源二階高通濾波器。 具體電路如圖6所示。

　　該電路的傳遞函數(shù)為：

　　圖6電路的復(fù)數(shù)頻率特性為：

　　4.3 工作原理

　　濾波電路是一種能使楊浦用頻率通過，同時(shí)抑制無用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運(yùn)算放大器、電容和電阻可構(gòu)成有源濾波器。有源濾波器不用電感，體積小，重量輕，有一定的放大能力和帶負(fù)載能力。由于受到集成運(yùn)算放大器特性的限制，有源濾波器主要用于低頻場(chǎng)合。有源濾波器有低通、高通、帶通和阻帶等電路。低通濾波電路指低頻信號(hào)能通過而高頻信號(hào)不能夠通過的電路，高頻濾波電路則與低頻濾波電路相反，帶通濾波電路是指某一段的信號(hào)能通過而該頻段之外的信號(hào)不能通過的電路。

　　5. 電路圖的設(shè)計(jì)

　　EWB軟件介紹

　　EWB的全稱為Electronics Workbench（電子工作臺(tái)），它提供了仿真實(shí)驗(yàn)和電路分析兩種仿真手段，可用于模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛筒糠謴?qiáng)電電路的仿真、分析和設(shè)計(jì)。

　　EWB是一種優(yōu)秀而易學(xué)的WDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件，與其他仿真分析軟件相比，EWB的最顯著特點(diǎn)就是提供了一個(gè)操作簡(jiǎn)便且與實(shí)際相似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。他幾乎能對(duì)”電子技術(shù)”課程中所有基本電路進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)過程和儀器操作方法與實(shí)際相似，但比實(shí)際方便、省時(shí)。他還能進(jìn)行實(shí)際無法或不便進(jìn)行

　　的試驗(yàn)內(nèi)容，通過儲(chǔ)存和打印等方法可精確記錄器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實(shí)際工作狀態(tài)和性能。

　　應(yīng)用EWB，便于實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊練的教學(xué)模式，使“電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)變得更有趣而容易。

　　5.1 二階低通濾波器電路圖

　　仿真后得到幅頻特性曲線為

　　5.2 二階高通濾波器電路圖

　　仿真后得到幅頻特性曲線為

　　5.3 二階帶通濾波器電路圖

　　6 電路的安裝

　　用烙鐵把買來的原器件安裝在萬能版上 萬能版如右圖3.10所示

　　7 調(diào)試與測(cè)試

　　實(shí)踐表明，一個(gè)電子裝置，即使按照設(shè)計(jì)的電路參數(shù)進(jìn)行安裝往往也難于達(dá)到預(yù)期效果。這是因?yàn)槿藗冊(cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，不可能周全地考慮各種復(fù)雜的客觀問題，必須通過安裝后的測(cè)試和調(diào)整，來發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)方案的不足。然后采取措施加以改進(jìn)，使裝置達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。因此調(diào)整電子電路的技能對(duì)從事電子技術(shù)及有關(guān)領(lǐng)域工作的人員來說，是不應(yīng)缺少的。調(diào)試的常用儀器有：萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器。

　　7.1 調(diào)試前的檢查

　　在電子元器件安裝完畢后，通常不宜急于通電，要形成這種習(xí)慣，先要仔細(xì)檢

　　查。其檢查內(nèi)容包括：

　　檢查連線是否正確

　　檢查的方法通常有兩種方法：

　　按照電路圖檢查安裝的線路。這種方法的特點(diǎn)是根據(jù)電路圖連線，按一定順序安裝好的線路，這樣比較容易查出哪里有錯(cuò)誤。

　　按照實(shí)際線路來對(duì)照原理圖電路進(jìn)行查線。這是一種以元件為中心進(jìn)行查線的方法。把每個(gè)元件引腳的連線一次查清，檢查每個(gè)去處在電路圖上是否存在，這種方法不但可以查出錯(cuò)線和少線，還容易查出多線。

　　其中741芯片引腳如圖

　　為了防止出錯(cuò)，對(duì)于已查過的線通常應(yīng)在電路圖上做出標(biāo)記，最好用指針式萬用表“歐姆1”擋，或數(shù)字萬用表“歐姆擋”的蜂鳴器來測(cè)量，可直接測(cè)量元、器件引腳，這樣可以同時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。

　　檢查元器件的安裝情況

　　檢查元器件引腳之間有無短路和接觸不良，尤其是電源和地腳，發(fā)光二極管“+”、“-”極不要接反。

　　7.2 調(diào)試方法與原則

　?。?）通電觀察

　　把經(jīng)過準(zhǔn)確測(cè)量的電源接入電路。觀察有無異?，F(xiàn)象，包括有無元件發(fā)熱，甚至冒煙有異味電源是否有短路現(xiàn)象等；如有此現(xiàn)象，應(yīng)立即斷電源，待排除故障后才能通電。

　　（2）靜態(tài)調(diào)試

　　交流和直流并存是電子電路工作的一個(gè)重要組成部分。一般情況下，直流為交流服務(wù)，直流是電路工作的基礎(chǔ)。因此，電子電路的調(diào)試有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試之分。靜態(tài)調(diào)試過程：如，通過靜態(tài)測(cè)試模擬電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，數(shù)字電路和各輸入端和輸出端的高低電平值及邏輯關(guān)系等，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)已損壞的元器件，判斷電路工作情況，并及時(shí)調(diào)整電路參數(shù)，使電路工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。

　?。?）動(dòng)態(tài)調(diào)試

　　調(diào)試的方法是在電路的輸入端接入適當(dāng)頻率和幅值的信號(hào)，并循著信號(hào)流向來檢測(cè)各有關(guān)點(diǎn)的波形，參數(shù)和性能指標(biāo)。發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)采取各種方法來排除。通過調(diào)試，最后檢查功能塊和整機(jī)的各種指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如必要再進(jìn)一步對(duì)電路參數(shù)提出合理的修正。

　　7.2 調(diào)試中注意的事項(xiàng)

　　我們?cè)谡{(diào)試時(shí)，為了保證效果，必須盡量減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。調(diào)試結(jié)果是否正確，很大程度受測(cè)量正確與否和測(cè)量精度的影響。為此，需注意以下幾點(diǎn)：

　　正確使用測(cè)量?jī)x器的接地端。

　　要正確選擇測(cè)量點(diǎn)，用同一臺(tái)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量進(jìn)，測(cè)量點(diǎn)不同，儀器內(nèi)阻引起的誤差大小將不同。

　　調(diào)試過程中，不但要認(rèn)真觀察和測(cè)量，還要于記錄。記錄的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)條件，觀察的現(xiàn)象，測(cè)量的數(shù)據(jù)，波形和相位關(guān)系等。只有有了大量的可靠實(shí)驗(yàn)記錄并與理論結(jié)果加以比較，才能發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)上的問題，完善設(shè)計(jì)方案。

　　調(diào)試時(shí)出現(xiàn)故障，要認(rèn)真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。因?yàn)橹匦掳惭b的線路仍可能存在各種問題。我們應(yīng)該認(rèn)真檢查.