集成运放在信号处理方面的应用-有源滤波器的设计与调试

1、目录目录实验五实验五 集成运放在信号处理方面的应用集成运放在信号处理方面的应用 有源滤波器的设计与调试有源滤波器的设计与调试目录目录一、一、实实 验验 目目 的的二、二、设计原理与参考电路设计原理与参考电路三、三、实实 验验 内内 容容五、五、预习要求与实验报告预习要求与实验报告四、四、实实 验验 仪仪 器器六、六、实验研究与思考题实验研究与思考题目录目录 1熟悉二阶有源滤波器的基本原理、电路结构熟悉二阶有源滤波器的基本原理、电路结构 和基本性能。和基本性能。 2学会二阶有源滤波器的基本设计方法。学会二阶有源滤波器的基本设计方法。 3熟悉二阶有源滤波器参数的测量。熟悉二阶有源滤波器参数的测量。

2、 一 实验目的实验目的目录目录二二 设计原理与参考电路设计原理与参考电路1）优点：不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调）优点：不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面。试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面。2）缺点：但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器主要用）缺点：但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器主要用于低频。于低频。3）分类：根据对频率选择要求的不同，滤波器可分为）分类：根据对频率选择要求的不同，滤波器可分为低通、低通、高通、带通与带阻高通、带通与带阻四种，它们的幅频特性如图四种，它们的幅频特性如图5.1所示。所

3、示。（一）由运算放大器和（一）由运算放大器和RC元件组成的有源滤波器的基础知识元件组成的有源滤波器的基础知识目录目录图 5.1 滤波器的幅频特性 理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的滤波器理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的滤波器。一般来说，滤波器的阶数的幅频特性去逼近理想的滤波器。一般来说，滤波器的阶数n越高，越高，幅频特性衰减的速率越快，越接近理想的滤波器，但幅频特性衰减的速率越快，越接近理想的滤波器，但RC网络的阶网络的阶数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。所以这里主要数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。所以这里主要介绍具有

4、巴特沃斯响应的二阶有源滤波器的基本设计方法。介绍具有巴特沃斯响应的二阶有源滤波器的基本设计方法。目录目录 1、 基本原理：基本原理： 典型二阶有源低通滤波典型二阶有源低通滤波器如图器如图5.2所示，为防止所示，为防止自激和抑制尖峰脉冲，自激和抑制尖峰脉冲，在负反馈回路可增加电在负反馈回路可增加电容容 C3，C3的容量一般的容量一般为为22pF51pF。该滤。该滤波器每节波器每节RC电路衰减电路衰减20dB10倍频程，倍频程，每级滤波器每级滤波器40dB10倍频程。倍频程。C C1 1C C2 2C C3 3R R1 1R R2 2R Ra aA AV VO OV Vi iR Rb b图5.2

5、二阶有源LPF（二）（二） 二阶有源二阶有源LPF的设计的设计目录目录式中式中 Auf 、n 、Q分别表示如下：分别表示如下：1VbfaRAR12121nR R C C121221211()(1)VfRR CCQC RRARC222()VnfnnAAsssQ通带增益：通带增益：固有角频率：固有角频率：品质因数：品质因数：传递函数的传递函数的关系式为：关系式为：目录目录 下面介绍设计二阶有源下面介绍设计二阶有源LPF时选用时选用R、C的两种方的两种方法。法。方法一方法一：设：设Avf=1，R1=R2，则，则Ra= ，以及，以及1212CQC1212nfRC C12nQCR212nCQR2124C

6、nQC（n n为阶数）为阶数） 2、 设计方法设计方法目录目录12nfRC13V fQAnf由上式得知由上式得知 ,Q可分别由可分别由R、C值和运放增益值和运放增益Auf的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法对要求特性保持一定对要求特性保持一定 而在较宽范围内变化的情而在较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性均较高的元况比较适用，但必须使用精度和稳定性均较高的元件。件。方法二方法二：R1=R2=R，C1=C2=C，则，则 nf目录目录nf122CC1nRC121400nQCpFR127002CCpF3、设计实例、设计实例 要求设计

7、如图要求设计如图5.3所示的具有巴特沃思特性所示的具有巴特沃思特性(Q0.71)的二阶有源的二阶有源LPF， = lkHz。按方法一和方法二两种设计方法分别进行计算，可得如下两种按方法一和方法二两种设计方法分别进行计算，可得如下两种结果。结果。方法一：取方法一：取Avf=1 ，Q0.71，选取，选取R1=R2=R=160k，可得：，可得：方法二：取方法二：取R1=R2=R=160K，Q 0.71，由式（，由式（5.7）可得：）可得：1210.0012nCCFf R目录目录1、基本原理、基本原理 HPF与与LPF几乎具几乎具有完全的对偶性，把图有完全的对偶性，把图5.2中的中的R1、R2和和C1

8、、C2位置互换就构成如图位置互换就构成如图5.3所示的二阶有源所示的二阶有源HPF。二者的参数表达。二者的参数表达式与特性也有对偶性式与特性也有对偶性;（三）（三） 二阶有源二阶有源HPFA AR R1 1R R2 2R Ra aC C1 1C C2 2V Vi iV Vo oR Rb b图图5.3 5.3 二阶有源二阶有源HPFHPF目录目录222( )nV fnnAA sssQ 1bV faRAR12121nR R C C212221()(1)nVfQR CCAR C 二阶二阶HPF的的传递函数为：传递函数为：目录目录方法一方法一：设：设 Q =1，取，取C1=C2=C，根据所要求的，根据

9、所要求的Q、 、 、可得、可得ufA()nnf112nRQC22nQRC2124RnQR2、设计方法、设计方法HPF中中R、C参数的设计方法也与参数的设计方法也与LPF相似，有两种。相似，有两种。13V fAQ1nRC方法二方法二： 设设C C11=C=C2 2=C=C，R R1 1=R=R2 2=R,=R,根据所要求的根据所要求的Q Q、。有关这两种方法的应用特点与有关这两种方法的应用特点与LPFLPF情况完全相同。情况完全相同。 目录目录 3、设计实例、设计实例 设计如图设计如图5.4所示的具有巴所示的具有巴特沃斯特性的二阶有源特沃斯特性的二阶有源HPF（Q 0.71），已知），已知fn=

10、1kHz，计算，计算R、C的参数。的参数。 若按方法一：设若按方法一：设Avf=1，选取选取C1=C2=C=1000Pf，求，求得得R1=112K，2=216k，各选用各选用110K与与220k标称标称值即可。值即可。 若按方法二：选取若按方法二：选取R1=R2= R= 160k，求得，求得Avf=1.58，1=C2=C=1000pF。A AR R1 1R R2 2R Ra aC C1 1C C2 2V Vi iV Vo oR Rb b图图5.4 5.4 二阶有源二阶有源HPFHPF目录目录0fQB W 可见，高可见，高QQ值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；反值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；

11、反之低之低QQ值滤波器有较宽的带宽，势必输出电压较小。值滤波器有较宽的带宽，势必输出电压较小。 (三三) 二阶有源带通滤波器二阶有源带通滤波器1、基本原理、基本原理 带通滤波器带通滤波器(BPF)能通过规定范围的频率，这能通过规定范围的频率，这个频率范围就是电路的带宽个频率范围就是电路的带宽BW，滤波器的最大输，滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率出电压峰值出现在中心频率f0的频率点上。带通滤的频率点上。带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数因数Q越高。电路的越高。电路的Q值可用公求出值可用公求出目录目录 BPF的电路形式较多，下图

12、为宽带滤波器的示的电路形式较多，下图为宽带滤波器的示例。在满足例。在满足LPF的通带截止频率高于的通带截止频率高于HPF的通带截的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和和HPF串接起来可以实现串接起来可以实现Butterworth通带响通带响应，如下图所示。应，如下图所示。4 47 7k k 4 47 7k k2 27 7k k2 27 7k k8 8. .2 2k k8 8. .2 2k k8 8. .2 2k k8 8. .2 2k k0 0. .0 06 68 8F F0 0. .0 06 68 8F F0 0. .0 00

13、 06 68 8F F0 0. .0 00 06 68 8F FV Vi iV Vo oA AA A1 12 22、参考电路、参考电路目录目录 用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用做测量信号噪声比截止频率易于调整，因此多用做测量信号噪声比(SN)的音频带通滤波器。如在电话系统中，采用下的音频带通滤波器。如在电话系统中，采用下图所示滤波器，能抑制低于图所示滤波器，能抑制低于300 Hz和高于和高于3000 Hz的信号，整个通带增益为的信号，整个通带增益为8 dB。4 47 7k k 4 47 7k k2 27 7k k2 27

14、 7k k8 8. .2 2k k8 8. .2 2k k8 8. .2 2k k8 8. .2 2k k0 0. .0 06 68 8F F0 0. .0 06 68 8F F0 0. .0 00 06 68 8F F0 0. .0 00 06 68 8F FV Vi iV Vo oA AA A1 12 2目录目录三三 实验内容实验内容1.基本要求基本要求: 根据前面介绍的方法计算电路的元件值、根据前面介绍的方法计算电路的元件值、截止频率和增益，要求误差在截止频率和增益，要求误差在10%以内。以内。（1）设计一个二阶有源低通滤波器，要求截止频率）设计一个二阶有源低通滤波器，要求截止频率fc=

15、3000Hz， Q=0.71。（2）设计一个二阶有源高通滤波器，要求截止频率）设计一个二阶有源高通滤波器，要求截止频率 fc=300Hz， Q=0.71 。2.扩展要求扩展要求:设计一个二阶有源带通滤波器设计一个二阶有源带通滤波器(语音滤波器语音滤波器)。要求要求:截止频率截止频率fcH=3000 Hz, fcL=300 Hz,阻带衰减速率阻带衰减速率为为40db/10倍频程倍频程(提示提示:一级二阶低通与一级二阶高一级二阶低通与一级二阶高通级联通级联)。目录目录 3根据计算的元件值，安装上述三种有源滤波器电根据计算的元件值，安装上述三种有源滤波器电 路。在输入端加信号路。在输入端加信号Vi=

16、100mV用点频法测各滤波器的用点频法测各滤波器的幅幅 频特性，并画出曲线（频特性，并画出曲线（LPF的的10fc 、HPF的的1/10fc、BPF的的f0、fL、fH 、10fH与与1/10fL ）。实验调整、修改元）。实验调整、修改元件值，使性能参数、幅频特性满足要求。给定条件件值，使性能参数、幅频特性满足要求。给定条件: （1）电源电压）电源电压12V （2）集成运放：）集成运放：LM3244应注意的问题应注意的问题 （1） 设计表中的元件标号应与电路的元件标号相一设计表中的元件标号应与电路的元件标号相一致。致。 （2）电路连接好后）电路连接好后将输入信号短路，测量第一级输出将输入信号短

17、路，测量第一级输出与第二级输出静态电压是否近似为零，若相差太大，应与第二级输出静态电压是否近似为零，若相差太大，应检查电路连接是否有误或元件损坏。检查电路连接是否有误或元件损坏。 （3）在实验时，若某项指标偏差较大，应根据性能参）在实验时，若某项指标偏差较大，应根据性能参数的表达式调整、修改相应元件的值。数的表达式调整、修改相应元件的值。目录目录 1直流稳压电路直流稳压电路 1台台 2函数信号发生器函数信号发生器 1台台 3双踪示波器双踪示波器 1台台 4晶体管毫伏表晶体管毫伏表 1台台 5万用表万用表 1台台四四 实验仪器实验仪器目录目录1.复习运算放大器和滤波器的工作原理。复习运算放大器和滤波器的工作原理。2.预习有源滤波器的基本设计方法。预习有源滤波器的基本设计方法。3.复习幅频特性的测试方法。复习幅频特性的测试方法。4.用用EDA技术对设计电路进行仿真，将仿真结果技术对设计电路进行仿真，将仿真结果 与实验测试值相比较。与实验测试值相比较。5. 拟设计步骤及实验步骤。拟设计步骤及实验步骤。6. 记录波形并加以分析性能是否满足