RC有源濾波器的設計

　　由RC元件與運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範圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率範圍以外的信號。可用在信息處理、數據傳輸、抑制幹擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用於低頻範圍。

　　有源濾波器涵義

　　根據對頻率範圍的選擇不同，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現的，只能用實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。濾波器的階數越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網絡的節數越多，元件參數計算越繁瑣，電路調試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有源濾波器級聯實現。

　　1. 設計目的

　　1、學習RC有源濾波器的設計方法；

　　2、由濾波器設計指標計算電路元件參數；

　　3、設計二階RC有源濾波器（低通、高通、帶通）；

　　4、掌握有源濾波器的測試方法；

　　5、測量有源濾波器的幅頻特性

　　2. 設計原理和指標

　　有源濾波電路是指濾波電路中除了使用R、C等元件外，還應用了集成運放等有源濾波電路。濾波電路的作用是選出有用頻率的信號，使一定頻率範圍的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率範圍之外的信號衰減很大。通常稱可以通過的頻率範圍為通帶，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。

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

　　

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

　　

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

　　

　　3. 設計要求

　　（1）分別設計二階RC低通、高通、帶通濾波器電路，計算電路元件參數，擬定測試方案和步驟；

　　（2）在麵包板或萬能板上安裝好電路，測量並調整靜態工作點； （3）測量技術指標參數。

　　4. 參數確定

　　4.1 二階低通濾波器參數的確定

　　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，信號從運放的同相端輸入，

　　

　　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。優點是電路性能較穩定，圖4壓控電壓源有源二階低通濾波器增益容易調節。

　　這種濾波器的傳遞函數為：

　　

　　時，可以改變c的值，但對Q和Auo的值沒有影響，為了使幅頻特性不出現凸峰，Q通常取0.7。

　　圖4電路的複數頻率特性為：

　　

　　

　　

　　4.2 二階高通濾波器參數的確定

　　高通濾波器是一種用來傳輸高頻段信號，抑制或衰減低頻段信號的電路。濾波器的階數越高，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。

　　

　　該電路的傳遞函數為：

　　

　　圖6電路的複數頻率特性為：

　　

　　

　　4.3 工作原理

　　濾波電路是一種能使楊浦用頻率通過，同時抑制無用成分的電路。濾波電路種類很多，由集成運算放大器、電容和電阻可構成有源濾波器。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載能力。由於受到集成運算放大器特性的限制，有源濾波器主要用於低頻場合。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能通過而高頻信號不能夠通過的電路，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能通過而該頻段之外的信號不能通過的電路。

　　5. 電路圖的設計

　　EWB軟體介紹

　　EWB的全稱為Electronics Workbench（電子工作檯），它提供了仿真實驗和電路分析兩種仿真手段，可用於模擬電路、數字電路、數模混合電路和部分強電電路的仿真、分析和設計。

　　EWB是一種優秀而易學的WDA（電子設計自動化）軟體，與其他仿真分析軟體相比，EWB的最顯著特點就是提供了一個操作簡便且與實際相似的虛擬實驗平臺。他幾乎能對」電子技術」課程中所有基本電路進行虛擬實驗，虛擬實驗過程和儀器操作方法與實際相似，但比實際方便、省時。他還能進行實際無法或不便進行

　　的試驗內容，通過儲存和列印等方法可精確記錄器實驗結果。它提供十多種電路分析功能，能仿真電路實際工作狀態和性能。

　　應用EWB，便於實現邊學邊練的教學模式，使「電子技術」課程的學習變得更有趣而容易。

　　5.1 二階低通濾波器電路圖

　　

　　仿真後得到幅頻特性曲線為

　　

　　5.2 二階高通濾波器電路圖

　　

　　仿真後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 調試與測試

　　實踐表明，一個電子裝置，即使按照設計的電路參數進行安裝往往也難於達到預期效果。這是因為人們在設計時，不可能周全地考慮各種複雜的客觀問題，必須通過安裝後的測試和調整，來發現和糾正設計方案的不足。然後採取措施加以改進，使裝置達到預定的技術指標。因此調整電子電路的技能對從事電子技術及有關領域工作的人員來說，是不應缺少的。調試的常用儀器有：萬用表、示波器、信號發生器。

　　7.1 調試前的檢查

　　在電子元器件安裝完畢後，通常不宜急於通電，要形成這種習慣，先要仔細檢

　　查。其檢查內容包括：

　　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。這種方法的特點是根據電路圖連線，按一定順序安裝好的線路，這樣比較容易查出哪裡有錯誤。

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

　　其中741晶片引腳如圖

　　

　　為了防止出錯，對於已查過的線通常應在電路圖上做出標記，最好用指針式萬用表「歐姆1」擋，或數字萬用表「歐姆擋」的蜂鳴器來測量，可直接測量元、器件引腳，這樣可以同時發現接觸不良的地方。

　　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，發光二極體「+」、「-」極不要接反。

　　7.2 調試方法與原則

　　（1）通電觀察

　　把經過準確測量的電源接入電路。觀察有無異常現象，包括有無元件發熱，甚至冒煙有異味電源是否有短路現象等；如有此現象，應立即斷電源，待排除故障後才能通電。

　　（2）靜態調試

　　交流和直流並存是電子電路工作的一個重要組成部分。一般情況下，直流為交流服務，直流是電路工作的基礎。因此，電子電路的調試有靜態和動態調試之分。靜態調試過程：如，通過靜態測試模擬電路的靜態工作點，數字電路和各輸入端和輸出端的高低電平值及邏輯關係等，可以及時發現已損壞的元器件，判斷電路工作情況，並及時調整電路參數，使電路工作狀態符合設計要求。

　　（3）動態調試

　　調試的方法是在電路的輸入端接入適當頻率和幅值的信號，並循著信號流向來檢測各有關點的波形，參數和性能指標。發現故障應採取各種方法來排除。通過調試，最後檢查功能塊和整機的各種指標是否滿足設計要求，如必要再進一步對電路參數提出合理的修正。

　　7.2 調試中注意的事項

　　我們在調試時，為了保證效果，必須儘量減小測量誤差，提高測量精度。調試結果是否正確，很大程度受測量正確與否和測量精度的影響。為此，需注意以下幾點：

　　正確使用測量儀器的接地端。

　　要正確選擇測量點，用同一臺測量儀進行測量進，測量點不同，儀器內阻引起的誤差大小將不同。

　　調試過程中，不但要認真觀察和測量，還要於記錄。記錄的內容包括實驗條件，觀察的現象，測量的數據，波形和相位關係等。只有有了大量的可靠實驗記錄並與理論結果加以比較，才能發現電路設計上的問題，完善設計方案。

　　調試時出現故障，要認真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。因為重新安裝的線路仍可能存在各種問題。我們應該認真檢查.

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