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[摘 要]本文利用集成运算放大器和滤波器的相关知识，根据设定的上限截止频率和下限截止频率，采用二阶有源高通滤波器和二阶有源低通滤波器串联设计并制作出一个有源带通滤波器。通过对成品进行仿真和调试，达到有源滤波器的各项设计指标要求。
[关键词]有源滤波器 设计 制作
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0240-02
在实际电子系统中，输入信号可能因干扰等原因而含有一些不必要的频率成分，应当设法将它衰减到足够小的程度。在另一些场合，有用信号和其他信号混在一起，必须设法把有用信号挑选出来。为了解决上述问题，可采用滤波电路。
滤波电路的作用是能从输入信号中选出一定频率范围内的有用信号，使其能够顺利通过，而对无用的或干扰频率段的信号加以抑制。工程上常把它用作信号处理、数据传输和抑制干扰等用途，它在通信、电子工程、仪器仪表等领域应用很广泛。
按性能不同，滤波电路可分为以下两种。（1）无源滤波电路：由无源元件（R、C、L等）组成的电路；（2）有源滤波电路：由有源器件（集成运放）和无源RC网络组成的电路。
相对于传统的RC滤波电路、LC滤波电路、陶瓷滤波电路等无源滤波电路而言，使用集成运算放大器组成的有源滤波电路，具有体积小，负载能力强、滤波效果好等优点，并兼有放大作用。
按幅频特性不同，滤波电路可分为以下四种。（1）低通滤波电路（LPF）：允许低频信号通过，将高频信号衰减；（2）高频滤波电路（HPF）：允许高频信号通过，将低频信号衰减；（3）带通滤波电路（BPF）：允许某一频带范围内的信号通过，将此频带以外的信号衰减；（4）带阻滤波电路（BEF）：阻止某一频带范围内的信号通过，允许此频带以外的信号通过。
一、设计目的任务
1.设计目的
通过设计制作一个有源滤波器，训练学生综合运用学过的电子电路的基本知识，使学生了解设计制作所用的集成运算放大器、低通、高通、带通、带阻滤波器的结构、功能及特点，熟练运用集成运放及有源滤波器，掌握有源滤波器的设计、制作、调试和检测的方法。
2.设计任务
在语音信号中，响度最强的频率范围是300Hz～3KHz的信号，应用运算放大器、电阻、电容等电子元件设计并制作一个增益40dB，通频带300Hz～3KHz的有源带通滤波器，带通滤波器的频率特性如图1所示。该有源带通滤波器具有300Hz—3KHz的通频带，可以将这一频率范围内的信号放大并滤除带外干扰信号。试设计、制作、调试这个电路。
二、电路参数设计
1.设计要求分析
带通滤波器的频率特性曲线图如图1所示，该滤波器可以将300Hz～3KHz频率范围内的信号放大40dB并按40dB/10倍频程滤除带外干扰信号，由于高通滤波器和低通滤波器串联可以构成带通滤波器，所以该滤波器前级设计成二阶有源高通滤波器，后级设计成二阶有源低通滤波器，再把它们连接起来。先计算确定各元件参数，然后再进行制作。
2.电路参数计算
根据设计要求，该有源带通滤波器由两级二阶高通滤波器和低通滤波器构成，第一级为二阶有源高通滤波器，增益20 dB，下限截止频率为300Hz，第二级为二阶有源低通滤波器，增益20 dB，上限截止频率为3KHz。两级增益共40dB，通频带300Hz～3KHz。
第一级二阶有源高通滤波的截止频率为300Hz，增益为20dB，根据二阶有源高通滤波器的传输增益公式：，由于AVP=10，设C1=0.1μF，则C3=0.01μF。下限截止频率：，由于fC=300Hz，则C2=0.068μF，R1=20KΩ，R2=20KΩ。
第二级二阶有源低通滤波器的截止频率为3KHz，增益为20dB，所以根据二阶有源低通滤波器的传输增益公式：，先设R4=10KΩ，则R6=90KΩ。再由上限截止频率公式：，由于=3KHz，先设C4=C5=0.1μF，则R2=R3=2KΩ。
由于该滤波器采用两级设计，每级需要一个运算放大器，共需要两个运放器，故考虑采用LM358双运放芯片。通频带300Hz～3KHz的有源带通滤波器电路原理如图2所示。LM358芯片引脚功能如图3所示。
3.设计指标的完成
该有源带通滤波器每级增益为20dB，共40dB，每级均采用二阶有源滤波器，斜率为40dB/10倍频程，第一级为有源二阶高通滤波器，下限截止频率为300Hz，第二级为有源二阶低通滤波器，上限截止频率为3KHz，整个滤波器电路通频带300Hz～3KHz，增益40dB，斜率40dB/10倍频程，达到设计要求。
三、设备及耗材
直流稳压电源、斜口钳、镊子、电烙铁、焊锡、信号发生器、示波器、数字万用表。元器件清单如表1所示。
四、电路装配、制作
1.装配与制作注意事项：
（1）焊接顺序：先芯片再分立元件。
（2）焊接芯片时，要注意方向，不能焊反，否则一通电立即烧掉芯片。注意控制焊接时间和温度，焊接时间切勿过长，温度不能过高，以免烫坏芯片。
（3）装配和焊接电阻时，注意先测量电阻的阻值与电路原理图上的电阻是否相符。电阻优先采用卧式安装，空间不够时可采用立式安装。
（4）装配和焊接电容时，注意检查电容量与电路原理图上的电容量是否相符。
2.安装与焊接常见问题：
（1）装配时把元器件放错在焊接面。
（2）电阻装配焊接有误，阻值不对。
（3）LM358芯片方向装反焊反。
（4）LM358芯片焊接时间过长、温度过高，烧坏芯片。
（5）焊接技术不过关，有毛刺、不光滑、脏污、虚焊和假焊现象。
五、电路调试
（1）准备好调试用的±12V稳压电源、函数信号发生器，双踪示波器、数字万用表等仪器。
（2）在电路输入端接上函数信号发生器，输入和输出端接上示波器，然后接上±12V稳压电源。
（3）把信号发生器调到正弦波，频率调到30Hz，观察输入和输出信号波形、幅度并记录下来。
（4）把信号发生器的频率调到100Hz，观察输入和输出信号波形、幅度并记录下来。
（5）按表3-2所列的频率重复以上过程，直到把频率提高到30KHz。
（6）把上述数据填入表2，并画出滤波器的频率特性曲线。
（7）把所画的频率特性曲线和图1进行比较，判断电路是否达到设计要求，如果达不到设计要求，找出原因并加以分析。
（8）根据以上分析修改并调试电路，使电路达到设计要求。
参考文献
[1] 黄跃华，张钰玲.模拟电子技术.北京理工大学出版社.2009.8.
[2] 胡汉辉，李燕林.电路分析.重庆大学出版社.2011.5.
[3] 谢兰清.电子电路分析与制作.北京理工大学出版社.2012.2.
[4] 孙建三.数字电子技术.机械工业出版社. 2007.7.
[5] 刘长国，刘桂敏. 数字电子技术.北京交通大学出版社.2008.6.
[关键词]有源滤波器 设计 制作
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0240-02
在实际电子系统中，输入信号可能因干扰等原因而含有一些不必要的频率成分，应当设法将它衰减到足够小的程度。在另一些场合，有用信号和其他信号混在一起，必须设法把有用信号挑选出来。为了解决上述问题，可采用滤波电路。
滤波电路的作用是能从输入信号中选出一定频率范围内的有用信号，使其能够顺利通过，而对无用的或干扰频率段的信号加以抑制。工程上常把它用作信号处理、数据传输和抑制干扰等用途，它在通信、电子工程、仪器仪表等领域应用很广泛。
按性能不同，滤波电路可分为以下两种。（1）无源滤波电路：由无源元件（R、C、L等）组成的电路；（2）有源滤波电路：由有源器件（集成运放）和无源RC网络组成的电路。
相对于传统的RC滤波电路、LC滤波电路、陶瓷滤波电路等无源滤波电路而言，使用集成运算放大器组成的有源滤波电路，具有体积小，负载能力强、滤波效果好等优点，并兼有放大作用。
按幅频特性不同，滤波电路可分为以下四种。（1）低通滤波电路（LPF）：允许低频信号通过，将高频信号衰减；（2）高频滤波电路（HPF）：允许高频信号通过，将低频信号衰减；（3）带通滤波电路（BPF）：允许某一频带范围内的信号通过，将此频带以外的信号衰减；（4）带阻滤波电路（BEF）：阻止某一频带范围内的信号通过，允许此频带以外的信号通过。
一、设计目的任务
1.设计目的
通过设计制作一个有源滤波器，训练学生综合运用学过的电子电路的基本知识，使学生了解设计制作所用的集成运算放大器、低通、高通、带通、带阻滤波器的结构、功能及特点，熟练运用集成运放及有源滤波器，掌握有源滤波器的设计、制作、调试和检测的方法。
2.设计任务
在语音信号中，响度最强的频率范围是300Hz～3KHz的信号，应用运算放大器、电阻、电容等电子元件设计并制作一个增益40dB，通频带300Hz～3KHz的有源带通滤波器，带通滤波器的频率特性如图1所示。该有源带通滤波器具有300Hz—3KHz的通频带，可以将这一频率范围内的信号放大并滤除带外干扰信号。试设计、制作、调试这个电路。
二、电路参数设计
1.设计要求分析
带通滤波器的频率特性曲线图如图1所示，该滤波器可以将300Hz～3KHz频率范围内的信号放大40dB并按40dB/10倍频程滤除带外干扰信号，由于高通滤波器和低通滤波器串联可以构成带通滤波器，所以该滤波器前级设计成二阶有源高通滤波器，后级设计成二阶有源低通滤波器，再把它们连接起来。先计算确定各元件参数，然后再进行制作。
2.电路参数计算
根据设计要求，该有源带通滤波器由两级二阶高通滤波器和低通滤波器构成，第一级为二阶有源高通滤波器，增益20 dB，下限截止频率为300Hz，第二级为二阶有源低通滤波器，增益20 dB，上限截止频率为3KHz。两级增益共40dB，通频带300Hz～3KHz。
第一级二阶有源高通滤波的截止频率为300Hz，增益为20dB，根据二阶有源高通滤波器的传输增益公式：，由于AVP=10，设C1=0.1μF，则C3=0.01μF。下限截止频率：，由于fC=300Hz，则C2=0.068μF，R1=20KΩ，R2=20KΩ。
第二级二阶有源低通滤波器的截止频率为3KHz，增益为20dB，所以根据二阶有源低通滤波器的传输增益公式：，先设R4=10KΩ，则R6=90KΩ。再由上限截止频率公式：，由于=3KHz，先设C4=C5=0.1μF，则R2=R3=2KΩ。
由于该滤波器采用两级设计，每级需要一个运算放大器，共需要两个运放器，故考虑采用LM358双运放芯片。通频带300Hz～3KHz的有源带通滤波器电路原理如图2所示。LM358芯片引脚功能如图3所示。
3.设计指标的完成
该有源带通滤波器每级增益为20dB，共40dB，每级均采用二阶有源滤波器，斜率为40dB/10倍频程，第一级为有源二阶高通滤波器，下限截止频率为300Hz，第二级为有源二阶低通滤波器，上限截止频率为3KHz，整个滤波器电路通频带300Hz～3KHz，增益40dB，斜率40dB/10倍频程，达到设计要求。
三、设备及耗材
直流稳压电源、斜口钳、镊子、电烙铁、焊锡、信号发生器、示波器、数字万用表。元器件清单如表1所示。
四、电路装配、制作
1.装配与制作注意事项：
（1）焊接顺序：先芯片再分立元件。
（2）焊接芯片时，要注意方向，不能焊反，否则一通电立即烧掉芯片。注意控制焊接时间和温度，焊接时间切勿过长，温度不能过高，以免烫坏芯片。
（3）装配和焊接电阻时，注意先测量电阻的阻值与电路原理图上的电阻是否相符。电阻优先采用卧式安装，空间不够时可采用立式安装。
（4）装配和焊接电容时，注意检查电容量与电路原理图上的电容量是否相符。
2.安装与焊接常见问题：
（1）装配时把元器件放错在焊接面。
（2）电阻装配焊接有误，阻值不对。
（3）LM358芯片方向装反焊反。
（4）LM358芯片焊接时间过长、温度过高，烧坏芯片。
（5）焊接技术不过关，有毛刺、不光滑、脏污、虚焊和假焊现象。
五、电路调试
（1）准备好调试用的±12V稳压电源、函数信号发生器，双踪示波器、数字万用表等仪器。
（2）在电路输入端接上函数信号发生器，输入和输出端接上示波器，然后接上±12V稳压电源。
（3）把信号发生器调到正弦波，频率调到30Hz，观察输入和输出信号波形、幅度并记录下来。
（4）把信号发生器的频率调到100Hz，观察输入和输出信号波形、幅度并记录下来。
（5）按表3-2所列的频率重复以上过程，直到把频率提高到30KHz。
（6）把上述数据填入表2，并画出滤波器的频率特性曲线。
（7）把所画的频率特性曲线和图1进行比较，判断电路是否达到设计要求，如果达不到设计要求，找出原因并加以分析。
（8）根据以上分析修改并调试电路，使电路达到设计要求。
参考文献
[1] 黄跃华，张钰玲.模拟电子技术.北京理工大学出版社.2009.8.
[2] 胡汉辉，李燕林.电路分析.重庆大学出版社.2011.5.
[3] 谢兰清.电子电路分析与制作.北京理工大学出版社.2012.2.
[4] 孙建三.数字电子技术.机械工业出版社. 2007.7.
[5] 刘长国，刘桂敏. 数字电子技术.北京交通大学出版社.2008.6.