RC有源滤波器的设计

摘要滤波器是一种能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，常用它来进行信号处理，数据传送或抑制干扰等。以往滤波器主要采用无源元件R、L、和C组成，目前一般用集成运放、R、C组成，常称为有源滤波器。由RC元件与运算放大器组成的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。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，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有滤波器级联实现。在一个实际的电子系统中，有时输入信号往往受干扰等原因而含有一些不必要的成分，应当把它衰减到足够小的程度。而在另一些场合，有时我们需要的信号和别的信号混在一起，应当 设法把我们需要的信号挑出来。要解决这些问题都需要采用有源滤波器。关键词：滤波器 RC 频率 信号AbstractFilter is a frequency signals can be useful while inhibiting (or attenuation) unwanted frequency signals of electronic circuits or devices. In engineering, used it for signal processing, data transfer or suppress interference. The past, the main use of filters and passive components R, L, and C, and currently the general use of integrated operational amplifier, R, C composition, often referred to as active filters.By the RC components and the composition of op-amp RC active filter, its function is to allow a certain frequency range signals, inhibit or sharp attenuation outside the scope of this frequency signal. Can be used in information processing, data transmission, interference suppression and so on, but due to limited bandwidth operational amplifier, such filter is mainly used for low-frequency range. Based on the choice of different frequency range can be divided into low-pass (LPF), high pass (HPF), band-pass (BPF) and band-stop (BEF) and other four kinds of filters.Amplitude-frequency characteristics with ideal filter is very difficult to achieve, can only use the actual rate to approximate the ideal frequency characteristics. In general, the amplitude frequency characteristics of the filter the better, the worse the phase frequency characteristics, and vice versa. Higher order filters, amplitude-frequency characteristics decay rate was faster, but the RC network, the more sessions, the more complicated calculation of device parameters, circuit debugging more difficult. Any order filters are available with a lower second-order RC filter cascade realization. In a practical electronic system, sometimes the input signal is often subject to interference and other factors which contain unnecessary ingredients, that it should be small enough degree of attenuation. While in other occasions, and sometimes we need mixed-signal and other signals should be managed to pick out the signal that we need. To solve these problems need to use active filters. keyword： Filter RC Frequency Signal目录RC有源滤波器的设计1第一章1一 设计目的1二 设计原理和指标1三 设计要求1第二章1一 参数确定1（一） 二阶低通滤波器参数的确定1（二） 二阶高通滤波器参数的确定3二 电路图的设计4（一） 二阶低通滤波器电路图5（二） 二阶高通滤波器电路图5第三章6一 电路的安装6二 调试与测试7（一） 调试前的检查7（二） 调试方法与原则7（三） 调试中注意的事项8（四） 电路测试:8参考文献8 RC有源滤波器的设计第一章一 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二 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。三 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。第二章一 参数确定（一） 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 +15V滤波器电路，另一种是压控电压源（VCVS） 2 7 有源二阶低通滤波器电路。本文主要介绍压控 ui R1 R2 A741 6 uo电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器。具体 3 4电路如图4所示，信号从运放的同相端输入， C1 C2 -15V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： （6）在上式分母中，由于s为二次幂，故称为二阶LPF。其中，截止频率为： （7）即： （8） 通带增益为： （9） （10）Q称为滤波器的品质因数，由以上四式可知，当按比例调节R1、R2或C1、C2时，可以改变的值，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： （11）对数幅频特性为： (12)当Q =时，根据上式作出的幅频特性曲线 如图5所示。 0 1 10由(11)式可知，当f = fc时，模= Q Auo， -3 当Q =时，= 0.707 Auo，此时通带 - 40dB/十倍频幅频特性最平坦，且电路工作时较稳定，当f fc时，幅频特性以 -40dB/十倍频的速率衰减，比一阶低通滤波器的特性好的多； 若Q ， 则 -400.707 Auo，此时通带幅频特性将出现凸峰。 图5 有源二阶低通滤波器的幅频特性 根据 f0=0.37fp有 R1=Rf Rc=0.00003取 R1=1K C=0.1UF所以RF=1K,R=0.3K. （二） 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。 R3 R4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 +15V 二阶高通滤波器电路，另一种是压控电压 2 7源（VCVS）有源二阶高通滤波器电路。 ui C1 C2 A741 6 uo下面主要介绍压控电压源（VCVS）有 3 4 源二阶高通滤波器。具体电路如图6所示。 R1 R2 -15V 该电路的传递函数为： 图6 压控电压源有源二阶高通滤波器 （13） 其中： （14） （15） （16） 图6电路的复数频率特性为： （17） 对数幅频特性为： （18）当Q =时，根据上式作出的幅频特性 dB曲线如下图7所示. 0 0.1 1由图7可知，fc为转折频率，当f fc时， -3 随着频率的加大，特性曲线按+40dB/十倍频的速率上升。该滤波器可以对频率小于fc的信号进行抑制。 +40dB/十倍频 -40 图7 有源二阶高通滤波器的幅频特性曲线二 电路图的设计根据上面的参数,用EWB设计出如下的电路图（一） 二阶低通滤波器电路图图2.1其中R1=1 k R=300 RF= k C=0.1F电源电压为100Mv/60 Hz其上限截止频率为=1690 Hz仿真后得到幅频特性曲线为图2.2（二） 二阶高通滤波器电路图 图2.3其中R1=200 R2=R3=570 RF=800 C=1F电源电压为100Mv/60Hz其上限中心频率为=77 Hz仿真后得到幅频特性曲线为第三章一 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 图3.10（万能版）二 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。（一） 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。（二） 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