有源滤波器实验

东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：模拟电子电路实验第八次实验实验名称：有源滤波器实验院（系）：仪器科学与工程学院专业：姓名：学号：实验室:实验组别：同组人员：实验时间：评定成绩：审阅教师：一、实验目的：1、掌握由运算放大器组成的RC有源滤波器的工作原理2、熟练掌握RC有源滤波器的工程设计方法3、掌握滤波器基本参数的测量方法4、进一步熟悉MultiSim软件高级分析功能的使用方法二、设计提示：1、有源滤波器设计中选择运算放大器主要考虑带宽、增益范围、噪声、动态范围这四个参数。(I)带宽：当为滤波器选择运算放大器时，一个通用的规则就是确保它具有所希望滤波器频率10倍以上带宽，最好是20倍的带宽。如果设计一个高通滤波器，则要确保运算放大器的带宽满足所有信号通过。(II)增益范围：有源滤波器设计需要有一定的增益。如果所选择的运算放大器是一个电压反馈型的放大器，使用较大的增益将会导致其带宽低於预期的最大带宽，并会在最差的情况下振荡。对一个电流反馈型运算放大器来说，增益取的不合适将被迫使用对於实际应用来说太小或太大的电阻。(III)噪声：运算放大器的输入电压和输入电流的噪声将影响滤波器输出端的噪声。在噪声为主要考虑因素的应用里，你需要计算这些影响（以及电路中的电阻所产生热噪声的影响）以确定所有这些噪声的叠加是否处在有源滤波器可接受的范围内。(IV)动态范围：在具有高Q值的滤波器里面，中间信号有可能大於输入信号或者大於输出信号。对操作恰当的滤波器来说，所有的这些信号必须能够通过而无出现削波或过度失真的情况2、目前已经有很多专业的有源滤波器设计软件如：德州仪器的FilterPro、国家半导体WEBENCH®中的ActiveFilterDesigner、NuhertzTechnologies的FilterSolutions等。这些软件可以根据您的设计指标要求很快的算出电路参数，很大程度上节省了开发周期。三、预习思考：1、设计一个低通滤波器，截止频率kHzf20,Q值为0.7，0ff不低于30dB/10倍频。,出电路图，计算各元件参数。所有的电阻和电容值必须采用标称值代替计算值。（1）计算过程：根据设计要求：截止频率7.0,20QkHzf,利用公式有：根据现有元件的标称值，选择kRkR25,75.4343使得571.1134RRAO逼近计算值。当CCCRRR2121,时，由kHzRCf2210，得到FRC51096.7取FCkR01.0,8,使得FRC5100.8逼近计算值。（2）电路设计图：2、设计个高通滤波器，截止频率Hzf5000，05.0ff时的衰减速不低于12dB。画出电路图，计算各元件参数。所有的电阻和电容值必须采用标称值代替计算值。（1）计算过程：根据设计要求：截止频率7.0,5000QHzf,利用公式有：由于Q的取值不变，43,RR的选取，通带增益OA与上题一样。当CCCRRR2121,时,由HzRCf500210，得到FRC410185.3取FCkR1.0,185.3,使得FRC410185.3逼近计算值。（2）电路设计与MultiSim模拟：3、用Multisim软件完成低通滤波器、高通滤波器。Multisim仿真结果：(1)低通滤波器1）幅频特性曲线：带内增益为3.9076dB,即A=1.572）由图可看出截止频率测得为2kHz：3）在幅频特性曲线上找到4KHZ和8KHZ所对应分贝数，满足衰减速率大于30dB/十倍频。(2)高通滤波器1)截止频率测得为500Hz2)Hzff2505.00时的幅度衰减速率大于12dB/十倍频四、必做实验1、实物搭接电路，测量和记录带内增益、截止频率和带外衰减速率，画出幅频特性曲线。A、低通滤波器(1)数据测量与记录：幅频特性曲线如下：-20-15-10-505012345678920logA频率/kHz幅频特性频率/Hz105001k1.2k1.5k2k2.5k4k8k仿真放大倍数A1.5681.5631.5601.4581.3451.0770.8270.3610.097输入峰峰值𝑉𝑖𝑝𝑝/v2.042.042.042.042.042.042.042.042.04输出峰峰值𝑉𝑜𝑝𝑝/v3.203.162.962.842.562.041.600.760.36实际放大倍数A1.5691.5491.4511.3921.2551.0000.7840.3730.176放大倍数误差/%0.060.906.994.536.697.155.203.3281.44(2)测得的截止频率为2KHz，符合题意。(3)带内增益为3.96.(4)当频率f=4k和f=8k时，带外衰减速率都大于30dB/十倍频。B、高通滤波器(1)数据测量与记录：幅频特性曲线如下：-30-20-10010012345678920logA频率/kHz幅频特性频率/Hz105001k1.2k1.5k2k2.5k4k8k仿真放大倍数A1.071.501.531.551.551.551.561.56输入峰峰值𝑉𝑖𝑝𝑝/v2.042.042.042.042.042.042.042.042.04输出峰峰值𝑉𝑜𝑝𝑝/v2.283.203.243.243.243.243.243.24实际放大倍数A1.121.571.591.591.591.591.591.59放大倍数误差/%4.674.673.922.582.582.581.921.92频率/Hz10k20k50k100k200k300k500k800k1000k仿真放大倍数A1.561.561.561.551.511.471.341.100.93输入峰峰值𝑉𝑖𝑝𝑝/v2.042.042.042.042.042.042.042.042.04输出峰峰值𝑉𝑜𝑝𝑝/v3.243.243.283.203.123.062.772.391.98实际放大倍数A1.591.591.611.571.531.501.361.170.97放大倍数误差/%1.921.923.211.291.322.041.476.364.12(2)测得的截止频率为480Hz，有一定误差。(3)带内增益为3.96.(4)Hzff2505.00的幅度衰减速率大于12dB/十倍频。五、思考题1、试分析集成运放有限的输入阻抗对滤波器性能是否有影响？答：有影响。运放的输入阻抗越大越好。2、BEF（二阶带组）和BPF（二阶带通）是否像HPF和LPF一样具有对偶关系？若将BPF中起滤波作用的电阻与电容的位置互换，能得到BEF吗？答：当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。3.传感器加到精密放大电路的信号频率范围是400Hz±10Hz,经过放大后发现输出波形含有一定程度的噪声和50Hz的干扰。试问：应引入什么形式的滤波电路以改善噪声比？答：带通滤波器。中心频率为400hz左右，能很好的滤出所需信号，去除噪声。