RC有源滤波器的设计

　　由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。

　　有源滤波器涵义

　　根据对频率范围的选择不同，可分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）与带阻（BEF）等四种滤波器，它们的幅频特。

　　具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有源滤波器级联实现。

　　1. 设计目的

　　1、学习RC有源滤波器的设计方法；

　　2、由滤波器设计指标计算电路元件参数；

　　3、设计二阶RC有源滤波器（低通、高通、带通）；

　　4、掌握有源滤波器的测试方法；

　　5、测量有源滤波器的幅频特性

　　2. 设计原理和指标

　　有源滤波电路是指滤波电路中除了使用R、C等元件外，还应用了集成运放等有源滤波电路。滤波电路的作用是选出有用频率的信号，使一定频率范围的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围之外的信号衰减很大。通常称可以通过的频率范围为通带，不能通过的频率为阻待。通带和阻带的 界限频率称为截止频率。

　　（1） 低通滤波器：通带增益AUF=2；截止频率fH =2000Hz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频；

　　

　　（2） 高通滤波器：通带增益AUF=5；截止频率fL =100Hz；Ui=100mV； 阻带衰减：不小于-20dB/10倍频；

　　

　　（3） 带通滤波器：通带增益AUF=2；中心频率：fO =1kHz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频。

　　

　　3. 设计要求

　　（1）分别设计二阶RC低通、高通、带通滤波器电路，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤；

　　（2）在面包板或万能板上安装好电路，测量并调整静态工作点； （3）测量技术指标参数。

　　4. 参数确定

　　4.1 二阶低通滤波器参数的确定

　　常用的有源二阶低通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈有源二阶低通滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。本文主要介绍压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器。具体电路如图1所示，信号从运放的同相端输入，

　　

　　故滤波器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，运放A和R1 、Rf 组成电压控制的电压源，因此称为压控电压源LPF。优点是电路性能较稳定，图4压控电压源有源二阶低通滤波器增益容易调节。

　　这种滤波器的传递函数为：

　　

　　时，可以改变c的值，但对Q和Auo的值没有影响，为了使幅频特性不出现凸峰，Q通常取0.7。

　　图4电路的复数频率特性为：

　　

　　

　　

　　4.2 二阶高通滤波器参数的确定

　　高通滤波器是一种用来传输高频段信号，抑制或衰减低频段信号的电路。滤波器的阶数越高，幅频特性越接近理想高通特性。

　　常用的有源二阶高通滤波器电路有两种形式：

　　一种是无限增益多路负反馈有源二阶高通滤波器电路；另一种是压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路。

　　下面主要介绍压控电压源（VCVS）有源二阶高通滤波器。 具体电路如图6所示。

　　

　　该电路的传递函数为：

　　

　　图6电路的复数频率特性为：

　　

　　

　　4.3 工作原理

　　滤波电路是一种能使杨浦用频率通过，同时抑制无用成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路。

　　5. 电路图的设计

　　EWB软件介绍

　　EWB的全称为Electronics Workbench（电子工作台），它提供了仿真实验和电路分析两种仿真手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分强电电路的仿真、分析和设计。

　　EWB是一种优秀而易学的WDA（电子设计自动化）软件，与其他仿真分析软件相比，EWB的最显著特点就是提供了一个操作简便且与实际相似的虚拟实验平台。他几乎能对”电子技术”课程中所有基本电路进行虚拟实验，虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似，但比实际方便、省时。他还能进行实际无法或不便进行

　　的试验内容，通过储存和打印等方法可精确记录器实验结果。它提供十多种电路分析功能，能仿真电路实际工作状态和性能。

　　应用EWB，便于实现边学边练的教学模式，使“电子技术”课程的学习变得更有趣而容易。

　　5.1 二阶低通滤波器电路图

　　

　　仿真后得到幅频特性曲线为

　　

　　5.2 二阶高通滤波器电路图

　　

　　仿真后得到幅频特性曲线为

　　

　　5.3 二阶带通滤波器电路图

　　

　　6 电路的安装

　　用烙铁把买来的原器件安装在万能版上 万能版如右图3.10所示

　　

　　7 调试与测试

　　实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。

　　7.1 调试前的检查

　　在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检

　　查。其检查内容包括：

　　检查连线是否正确

　　检查的方法通常有两种方法：

　　按照电路图检查安装的线路。这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。

　　按照实际线路来对照原理图电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。

　　其中741芯片引脚如图

　　

　　为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。

　　检查元器件的安装情况

　　检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。

　　7.2 调试方法与原则

　　（1）通电观察

　　把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。

　　（2）静态调试

　　交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。

　　（3）动态调试

　　调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。

　　7.2 调试中注意的事项

　　我们在调试时，为了保证效果，必须尽量减小测量误差，提高测量精度。调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为此，需注意以下几点：

　　正确使用测量仪器的接地端。

　　要正确选择测量点，用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

　　调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

　　调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.