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1、一项目意义与目标之老阳三干创作 .意义：本项目通过一个比较综合的、能覆盖模拟电子技 术这门课程的大部分内容的三级项目，使我们能将整个课 程的内容串联起来，实现一个系统的功能，巩固整个课程的 学习内容，为以后学习和设计提供良好的模拟电子线路知 识。本次有源滤波器设计主要注重的是电子电路的设计、仿 真，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系 实际的工作作风，在加深对知识的理解基础上，进一步培养 学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技 术问题的能力。目标：掌握有源滤波器的分析和设计方法，学习有源滤波器 的调试、幅频特性的丈量方法，通过仿真的方法来研究滤波 电路，了解元件参数对
2、滤波效果的影响，测验考试着制作实 物来验证理论以及仿真求得的结果并比较三者之间的差距。二项目内容与要求内容：滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制 （或衰减）无用频率信号的电子电路或装置，在工程上经常 使用它来进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。有源滤波 器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入阻抗都 很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电 压放大和缓冲作用，但因受运算放大器频限制，这种滤波器 主要用于低频范围。要求：在模电课程对有源滤波器所学到的知识的基础上，设 计出一阶低通有源滤波电路，一阶高通滤波电路，二阶低通 滤波电路，二阶高通滤波电路，二阶带通滤波电路，
3、二阶带 阻滤波电路。研究和设计其电路结构、传递函数，并对有关 参数进行计算，再利用multisim软件进行仿真，组装和调试 各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，观察 效果。由滤波电路的曲线可以看出通带的电压放大倍数、通 带上限截止频率，下限截止频率，特征角频率等的实际值， 与计算出的理论值相比较，分析误差。三. 实验原理程序设计一阶低通滤波电路：一阶有源低通滤波电路是一个一级RC低通电路的输出端 再加上一个电压跟随器，使之与负载很好的隔离开来。由于 电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，因此，其带负 载的能力得到了加强。若要求此电路不但有滤波功能，而且 可以起到电压放大作用，则只
4、需要将电路中的电压跟随器改 为同相比例放大电路即可。（见下图1）传递函数:S） I八:异叫，截止频率：M毕肛频率低于F时一电压增益:% I R频率高于F时一增加斜率二阶低通滤波电路：二阶有源低通滤波电路由两个RC环节和同相比例放大电路构成（见下图4），压控电压源二阶滤波器电路的特点是: 运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。二阶高通滤波器的通带增益：1打七二阶高通滤波器的截止频率：/.，心1二阶高通滤波器的品质因素：Q=22 Wc 7其传递函数为E）厂、 吒M I * Q=1/（3-D W0为特征角频率，也就是-
5、3dB截止角频率，Q为等效品质因 数。一阶高通滤波电路：如果将RC低通电路中的R和C的位置互换，就可得RC高通 电路。在0ww L范围内为阻带，高于wL的频率为通带，但 是受到有源器件和外接元件以及杂散参数的影响，受带宽的 限制，高通滤波电路的带宽也是有限的。如下图，该电路既 有滤波功能，还有放大作用。传递函数：EiU；/）截止频率：九12 R（频率高于F时一电压增益：.,， 1 R频率低于F时一增加斜率二阶高通滤波电路：二阶高通滤波器的通带增益：1打二阶高通滤波器的截止频率：心二阶高通滤波器的品质因素：Q=其传递函数为mi Q，M，匚1W Q=1/(3顼回)W0为特征角频率，也就是-3dB截
6、止角频率，Q为等效品质因数。二阶有源带通滤波电路：低通和高通可以构成带通滤波电路，条件是低通频率的 截止角频率3H大于高通滤波电路的截止角频率3L ,两者 覆盖的通带就提供了一个通带响应。带通滤波器(BPF)能通过规定范围的频率，这个频率范围 就是电路的带宽BW,滤波器的最大输出电压峰值出现在中心 频率f0的频率点上。带通滤波器的带宽越窄，选择性越好， 也就是电路的品质因数Q越高。电路的Q值可公式求出 Q=f0/BW .可见，高Q值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；反之低 Q值滤波器有较宽的带宽，势必输出电压较小。采取低通-高通串联实现带通滤波器：将带通滤波器的技 术指标分成低通滤波器和高通滤波
7、器两个独立的技术指标， 分别设计出低通滤波器和高通滤波器，再串联即得带通滤波 器。二阶巴特沃思滤波器的Avf1=1.586，因此，由二级串联 的带通滤波电路的通带电压增益(Avf1)2=(1.586)2=2.515， 由于通带电压增益：Au=1，因此在低通滤波器输入部分加了 一个由R8和R9组成的分压器。如图,R1和C1组成低通网络，R3和C2组成高通网络，两者串 联就组成了带通滤波电路。由KCL列出方程，可导出带通滤波电路的传递函数为 式中Avf为同相比例放大电路的电压增益，同样要求Avffp，理论上的幅频特性曲线，在过渡带按-20dB每十倍频斜 率下降。而由上面的曲线图，可知道真实的过渡带
8、是按-2.921-（- 23.156）dB每十倍频，约为-26.0dB每十倍频的斜率下降。理想 情况下，希望当ffp时，电压放大倍数立即降为零。一阶低通有 源滤波器与理想的幅频特性曲线相差很大，过渡带较宽。由电路的接法可知，相对于一阶电路，引入了一个正反馈，从而 让输出信号在高频段迅速下降，滤波电路的幅频特性曲线在过渡 带将以-40dB每十倍频的速度下降，与一阶相比，其下降速度将提 高一倍，从而使其滤波特性更接近于理想的情况。通带上限截止频率为：fp? nRC? HZ （理论值）？?？ fp? nRC? HZ （仿真值）?放大倍数：Avf?由幅频特性曲线可知，过渡带约按? ?）每十倍频，即?
9、dB每十倍频的斜率下降。当ffp时，其电压放大倍数下降速度更 快，过渡带较窄，具有更好的低通滤波特性。另外，对于二阶低通有源滤波电路，其等效品质因数。的大小对电 路的幅频特性影响较大，Q值越大，则f?fp时的|Av|值越大。当Q 等于时，既可以坚持通带的增益，又能使高频段的电压放大倍数 快速地衰减，同时防止了在f? fp处幅频特性曲线发生一个较大的 凸峰，因此滤波效果好。上图为二阶低通滤波器的仿真图，函数发生器提供输入信号，由 示波器的波形可知，滤波电路不会改变信号的频率，上边的波形 为经过滤波器前的信号，为正弦信号，下边的波形暗示经过滤波 器之后的信号，明显看出波形被衰减，由波特图仪可知电路
10、的上 限截止频率fl? HZ，理论值fo? HZ，再将信号频 率取一定的梯度，再观察波形的情况。?Hz曰由表可知，波形在500hz以下时电路的失真现象不明显，高于500Hz时电路明显被衰减，且随着数值的减小，衰减倍数越大，所 以说明截止频率接近500Hz，与理论值和波特图仪读出的值接近； 以上分析可得，丈量实际电路的截止频率可以用看波特图仪的方 法和对分歧信号频率范围的观察分析，波特图仪精度较高，使用 较方便。通带下限截止频率为：fp=1/2nRCo2.653KHZ（理论值）； fp=1/2nRC2.664KHZ（仿真值）；放大倍数：Avf=2当ffp,理论上的幅频特性曲线，在过渡带按-20dB每十倍频斜 率下降。而由上面的曲线
