二阶有源高通滤波器的设计
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一
目录一:概论
二:课程设计的任务与要求
2.1、课题和要求
2.2、设计目的
三:电路原理分析
3.1、高通电路的频率响应
3.2、高通滤波电路
四:设计
方案
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比较
4.1 、压控电压源二阶高通滤波器
4.2 、无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
五:制作与调试
5.1、制作电路图
5.2、调试操作
5.3、调试结果
5.4、实验数据表
六:参数的计算及器件选择
6.1、选择运放
6.2、选择电容器的容量，计算电阻器的阻值
七:实验数据结果分析
:八设计中遇到的问题及解决方案
九:实验
总结
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一:概论
有源滤波器是指使用放大器、电阻和电容组成的滤波电路，其功能是使一定范围内的输入信号通过，抑制或急剧衰减输入信号频率小于滤波器下限截止频率的信号。这类滤波器可用在数字信号处理、数据传输、抑制干扰等方面。但因受运算放大器频带的限制，这类滤波器一般只可用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器。
L f=100Hz本次课程设计的课题为设计一个的二阶有源高通滤波器。高通滤
Lfff波器是指:当输入端输入的信号频率小于时，输出端输出信号幅度为零;
Lf大于或等于时，输出端输出信号的幅度最大且保持不变。但由于实验中设计元
Lf << ff器件存在误差，当时，输出端输出信号幅度非常接近于零，并随的增
Lff大，输出端输出信号幅度逐渐增大;当接近时，输出端输出幅度变化较明
Lf = ff显;当时，输出端输出幅度达到最大;当继续增大时，输出端输出幅度又会以较小幅度减小，但总体变化不明显。本次课题设计将根据所学的专业及模拟电路的知识来完成二阶有源高通滤波器的设计。
在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛，尤其是有源高通滤波器。目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着极为广泛的应用。有源高通滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对有源高通滤波器的研究和生产非常重要。
二:课程设计的要求与目的
2.1、课题要求
L=100Hzf。设计一个二阶有源高通滤波器，下限截止频率
2.2、设计目的
电子课程设计是模拟电子技术基础和数字电路课程的实际应用，通过本次课题设计，要求达到以下目的:
1()、进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养自己电子设计和综合分析及解决实际问题的能力。
2()、基本掌握常用电路的一般设计方法，提高自己电子设计和实际电子制作的能力。
3()、熟悉如何选用电子元器件，为以后的专业课及实验打好基础。三:电路原理分析
3.1、高通电路的频率响应
在输入信号的低频区内，放大电路中耦合电容和弯曲电容对方电路放大能
aRC力的影响，可用如图()表示的高通电路的频率响应来模拟，利用复变量S，由图可得此电路的电压传递
函
关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函
数为:
S=j*w=j*2**f对于实际频率?其幅频响应和相频响应的表达式分别为:幅频响应:
相频响应:
LRCbAv为低频电压传输系数，可画出高通电路的波特图如图()式中
Lf > f|由波特图可知，当输入频率时，二阶高通电路的电压传输系数的幅值LLLAv|3dB+45f << ff|Av|下降，且产生度相移。后，随着的下降，按一定规律衰
+90减且相移增大，最终趋于度。
RC通过对高通电路频率响应的分析，可得到以下具有普遍意义的结论:1t=RC()、电路的截止频率决定于相关电容所在回路的时间常数。23dB()、当输入信号的频率等于下限频率时，放大电路的增益下降，或
0.707-45+45下降为普通增益的倍，且在通带相移的基础产生度或度的相移。3.2、高通滤波电路
Lc0
0一阶低通滤波电路如下，当时，电容相当于开路，信号不能通过集成运放输出，随着频率的不断升高，电容的阻抗越来越小，信号则越来越易于通过集成运放输出，因此，是高通滤波电路。
一阶低通滤波器的电路 一阶低通滤波器的电路的幅频特性曲线
f=0当时，电容器可视为开路，通带内的增益为:
一阶低通滤波器的传递函数如下:
2)、二阶有源高通滤波电路
dRC二阶有源高通滤波电路如图()所示，由图可见，它是有两节滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
二阶有源高通滤波器:
e由此可画出其幅频响应曲线，如图()所示:
e图
e由图可见，二阶高通滤波电路与二阶低通滤波电路的幅频特性具有对偶
0vp f << f +40 dB/decA? 3(镜像)关系。当时，幅频特性曲线的斜率为;当时，电路产生自激。
四:设计方案比较
4.1、压控电压源二阶高通滤波器
b图()所示，电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当输入信号频率
RC趋于零时，反馈很弱;当输入信号频率趋于无穷大时，由于的电抗很大，
0Ausf = f因而()趋于零。所以，只要正反馈引入的当，就既可能在时使电压放大倍数数值增大，又不会因负反馈过强而产生自激振荡。同相输入端电位控制
R由集成运放和两个电阻组成的电压源，故称为压控电压源滤波电路。同时该电
CR路具有增益稳定、频率范围宽等优点。电路中、构成反馈网络。
b电路如图()所示，其传输函数为:
bc图()压控电压源二阶高通滤波器 图()无限增益多路负反馈二阶高通滤波器 4.2、无限增益多路负反馈二阶高通滤波器
与压控电压源高通滤波电路类似，无限增益多路负反馈滤波电路也是通过RCc增加环节，使得滤波器的过渡带变窄，衰减斜率值增大，电路如图()所
20Rf示，但不同的是无限增益多路负反馈滤波电路通过改变的连接，改善附近
c的频率特性，实现多路负反馈的效果。同时，因图()所示电路中的运放可看成理想运放，即可认为其增益无穷大，故也将该种电路称为无限增益多路负反馈滤波电路。
c电路图如图()所示，该电路的传输函数为:
根据指导老师所提供的元器件及设计的电路所需达到的滤波效果，我们认为压控电压源二阶高通滤波器更符合我们的设计要求。
五:制作与调试
5.1、制作
二阶高通滤波电路电路图如下:
二阶有源高通滤波器电路图
OP0774+5V-5V其中在放大器的管脚和管脚处分别加和的电压。
f R=1.66R=1.99千欧另外，分别取:千欧
1 1 2 R=1.48C=C=C=1uF 千欧
0f 1A=1+R/ R =2.45则:
5.2、调试操作
电路连接好后，我们需要函数发生器、示波器、数字万用表各一个，一个能+5V-5V同时产生和的直流稳压电源，及两个交流毫伏表，我们需要函数发生
0i0——22KHz1VUU器产生，幅值为的信号。输入接函数发生器，输出接示波
+5VOP077-5V41器，直流稳压电源的接的管脚，接管脚，交流毫伏表接输0iU2U出信号，交流毫伏表接输入信号(因为当改变输入信号频率时，由于函
iU数发生器和滤波器组成的电路的阻抗和容抗会发生变化，输出的幅值也会相
iU应的发生微小的变化，可通过调节函数发生器的幅值，确保的大小保持不变)。
注意:不能带电操作，在打开电源之前，应现用万用表检测引线及各个电阻，确保没有短路和断路。
5.3、调试结果
f < 50Hz1V当输入信号，幅值为的正弦波时，示波器输出图形如下图，交
10流毫伏表显示为。
50Hz105Hz当输入信号从到左右变化时，示波器上的波形经历了如下图所示的变化:
f110Hz-当输入信号的频率越接近，示波器输出波形越清晰，且峰峰值越
02.55VA2.55趋于稳定，交流毫伏表上显示为(基本不变)，即趋于最大值。当
f >> 110Hz-输入信号时，示波器输出的信号峰峰值基本不变(会发生微小的衰
12.5V减)，交流毫伏表上的读数(输出信号)也基本不变，仍为左右。
5.4:、实验数据表
i (v)U0 (v)F(Hz)Ui (v)U0 (v)F(Hz)U
7011.525012.22
7511.8630012.16
8012.0440012.10
8512.2250012.05
9012.3860012.04
10012.5512.00……
12512.5512.01……
15012.5512.00……
18012.4010k11.68
19012.3711k11.65
20012.3512k11.50
理论上，该通频带应该等于无穷大，但实际上由于受有源器件和外接元件
以及杂散参数的影响，带宽受限制，因此高通滤波器带宽也是有限的。由实验数
f = 8KHz据表我们也可以看出来。当左右时，输出信号开始衰减。
六:器件的选用及说明
1OPO7CP 器件:、芯片 一块
2SYB-120 、面包板一块
3 、导线 若干
4、函数发生器 一台
5 、示波器 一台
6、直流稳压电源 一台
7 、交流毫伏表 两台
8、电阻 若干
9、电容 两个
6.1、选择运放
OP07CP为了减少运放对滤波电路的负载影响，同时便于调整，选用芯片，OP07是一种高精度单片运算放大器，其具有很低的输入失调电压和零点漂移，OP07OP07的优良性能使它特别适合于做前级放大器，放大微弱信号。使用一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。
OP07关于芯片:
OP07OP07在本次课程设计中，我们采用芯片，芯片是整个课题中的中枢
OP07神经，下面是芯片的一些参数及外部特性。
主要参数:
75uV1.3uV/低输入失调电压:(最大) 低失调电压温漂:摄氏度(最大)
-14V-- +14V 1.5uV/宽带输入电压范围:低失调电压时漂:月 (最大)
3V-- 18V宽电源电压范围:
OP07芯片引脚功能说明:
182和:偏置平衡(调零端) :反向输入端34:正向输入端 :接电源负极56:空脚 :输入7:接电源正极
6.2、电容器的选择和电阻阻值的计算
12CCR和的容量应在微法数量级上，电阻的阻值应在几千我们预估电容器
欧以内。
12C=C=C=1uF现选择电容大小，则根据公式可得:
LR=1 /2** f* C=1 / (2 * 3.14 * 100 * 0.000001) = 1.60(?)千欧，选择电阻
121.66(CC1uF0.978uF0.969uF)千欧因为测出、并不是，而是和这与计算值有一
Lf100Hz点误差，所以，可能导致下限频率比稍有偏差。
12f 1 R=1.66C=C=C=1uFR=1.99R=1.48所以选择:千欧，，千欧，千欧。
0 f 1VA= 1+R/ R=2.45Ap < 3,则:(符合能稳定工作)。
七:数据结果分析
1V 由于取输入信号幅值为，则:
f < 50Hz0当输入信号时，示波器显示幅值为。
070Hz < f < 100HzA当输入信号时，示波器显示幅值逐渐增大，最终趋于。
f > 100Hz2.55V当输入信号时，示波器显示幅值趋于最大值。
L f=100Hz即滤波器电路实现下限频率的二阶高通滤波器滤波电路归一化幅频响应表示为下图:
L f=100HzR=R=1.66由调试结果知道，实际，由于我们选择千欧(理论值
0 0f 11.60A=2.552.45A=1+ R/ R为千欧)，导致(理论值为，)。
0.978uF0.969uF在本次课程设计中，测出的电容值为和，而电容器上标注
L1uFf= 1 / (2*R*C)Cf为。根据公式*?，稍微偏小导致也最总稍微偏大110Hz()，但仍然在误差范围内。
仪器仪表也存在误差，比如数字电压表、示波器、数字稳压电源都存在微小的量化误差，此外，电路制作过程中所用导线也有较小的电阻，这都会使实验结果存在误差。
八:设计中遇到的问题及解决方案
本次二阶有源高通滤波器的设计中遇到的问题主要有以下几个:
1R1.66 ()、设计中需要的两个电阻的阻值为千欧，但实验室中并没有这一阻值的电阻。
解决方案:用若干个较小的电阻串联组成一个较大的电阻，或用了若干个大电阻并联，以获得一个较小的阻值。
2+5V5V ()、调试中，实验室稳压电源没有能同时输出和—的接线端口，
OP07运放因此无法正常工作。
+ 解决方案:实验室中的稳压电源上有两组电压输出端口，将其中一组的 接线端与另一组的 — 接线端相连，将两组电压输出端的输出电压分别调到+5V5V和—，则:两组电压端口相接处的电势为零，即相当于接地端，这样未
5V+5V连接的两端就组成了一组能同时输出—和的电压输出端，把这两端分别
OP0747接在的管脚和管脚，就可以带动运放正常工作。
九:实验小结
本次课程设计的课题有两种设计方案，即压控电压源二阶高通滤波器和
无限增益多路反馈滤波器，此次课题设计都是基于一阶高通滤波器，通过增加RC支路加大幅频衰减的幅度，提高滤波效果。
这是我们在来大学以来的第一次课程设计，刚开始的时候对这个课题不太了解，但是通过我们组近两个星期的查阅书籍和努力合作，我们对课程设计有了一定的认识，最终圆满的把课程设计完成了。本次课程设计让我们了解了滤波器的工作原理以及分类，也让我们熟悉了函数发生器与示波器的操作，熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下良好的基础。基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高了电子电路的设计和制作能力。
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