【文章內(nèi)容簡介】 分析、零極點(diǎn)和蒙特卡羅等多項(xiàng)分析。 使用 EWB 對(duì)電路 進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)仿真的基本步驟是： 1. 用虛擬器件在工作區(qū)建立電路； 、參數(shù)值和標(biāo)號(hào)； ； 4. 選擇分析功能和參數(shù)； ； 。 7 第三章 濾波器 凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。 我國廣泛使用濾波器是 50 年 代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。 濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源。其優(yōu)點(diǎn)是：電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。它能夠使有用信號(hào)通過且同時(shí)抑制無用信號(hào)。工程上常用作信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。低通濾波器具有通低頻阻高頻的特點(diǎn)。由集成運(yùn)放和 R、 C元件組成的有源濾波電路，具有不用電感元件、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。而且由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓 增益和輸入阻抗都很高，且輸出阻抗低，它構(gòu)成的有源濾波電路還具有一定的電壓放大和緩沖作用。 濾波器介紹 電視機(jī)和一些電子產(chǎn)品中常用的濾波器有陶瓷濾波器、聲表面濾波器、陶瓷陷波器和陶瓷鑒頻器等。 8 有源濾波器 有源濾波器由下列一些有源元件組成：運(yùn)算放大器、負(fù)電阻、負(fù)電容、負(fù)電感、頻率變阻器（ FDNR）、廣義阻抗變換器（ GIC）、負(fù)阻抗變換器（ NIC）、正阻抗變換器（ PIC） 、 負(fù)阻抗倒置器（ NII）、正阻抗倒置器（ PII）、四種受控源，另外，還有病態(tài)元件極子和零子。 由 RC 有源濾波器 為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器，體積小，Q 值可達(dá) 1000，克服了 RLC 無源濾波器體積大， Q 值小的缺點(diǎn)。但它仍有許多課題有待進(jìn)一步研究：理想運(yùn)放與實(shí)際特性的偏差的研究；由于有源濾波器混合集成工藝的不斷改進(jìn)，單片集成有待進(jìn)一步研究；應(yīng)用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續(xù)探索；元件的絕對(duì)值容差的存在，影響濾波器精度和性能等問題仍未解決；由于 R 存在，集成占芯片面積大，電阻誤差大（ 20%～ 30%），線性度差等缺點(diǎn)，使大規(guī)模集成仍然有困難。盡管有這么多問題， RC 有源濾波器的理論和應(yīng)用仍在持續(xù)發(fā)展中。 濾波器的應(yīng)用和特點(diǎn) 有源濾波器是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的濾波器。隨著集成運(yùn)放的不斷發(fā)展和完善，有源濾波器的應(yīng)用更加廣泛。實(shí)踐證明，在有源濾波器中，集成運(yùn)放是一個(gè)非常有用的有源電子單元。在無線技術(shù)領(lǐng)域中，集成運(yùn)放濾波器應(yīng)用相當(dāng)廣泛。它有如下特點(diǎn)。 優(yōu)點(diǎn)： 1) 在制作截止頻率或中心頻率較低的濾波器時(shí)，可以做到體積小、重量輕、成本低。 9 2) 無需阻抗匹配。 3) 可方便地制作截止頻率或中心頻率連續(xù)可調(diào)的濾波器。 4) 可得到一定的增益。 5) 如果使用電位器、可變電容調(diào)整，可使濾波器的精度達(dá)到 %。 6) 由于采用集成電路，故受機(jī)械振動(dòng)、溫 度、濕度以及化學(xué)環(huán)境影響小。 7) 不易受電磁干擾。 8) 設(shè)計(jì)、計(jì)算、調(diào)試方便簡單。 缺點(diǎn)： 1) 制作頻率特性較陡的濾波器比較困難。 2) 需使用電源，功耗可到數(shù)瓦。 3) 噪聲較大，通常約是幾微伏到幾毫伏。 4) 從目前集成運(yùn)放的性能來看，有源濾波器還不適用于高頻范圍，通常使用頻率在幾十千赫以下。 因此，集成運(yùn)放有源濾波器可廣泛的用于低頻、甚低頻范圍。 一般說來，從通帶性能看，有源濾波器可分為低通濾波器（ LPF）、高通濾波器（ HPF）、帶通濾波器（ BPF）、帶阻濾波器（ BEF）等。從通帶濾波器特性看，有源濾波器可分為最大平直型（伯特沃斯 型）濾波器、紋波型（契比雪夫型）濾波器、線性相位型（貝塞爾型）濾波器等。從集成運(yùn)放作為有源濾波器看，有源濾波器可分為無限增益單反饋環(huán)型濾波器、無限增益多反饋環(huán)型濾波器、壓控電源型濾波器、無限增益多態(tài)反饋電路型濾波器、負(fù)阻變換型濾波器、回轉(zhuǎn)器型濾波器等。 低通濾波器介紹 10 低通濾波器的主要技術(shù)指標(biāo) （ 1）通帶增益 Avp 通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖 所示。性能良好的 LPF 通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。 （ 2）通帶截止 頻率 fp 其定義與放大電路的上限截止頻率相同，見圖 。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。 圖 LPF 的幅頻特性曲線 簡單一階低通有源濾波器 一階低通濾波器的電路如圖 所示，其幅頻特性見圖 ，圖中虛線為理想的情況，實(shí)線為實(shí) 際的情況。特點(diǎn)是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。 11 圖 一階 LPF 圖 一階 LPF 的幅頻特性曲線 當(dāng) f = 0 時(shí)，電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益為 一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下 其中 , S=jω 該傳遞函數(shù)式的樣子與一節(jié) RC 低通環(huán)節(jié)的增益頻率表達(dá)式差不多，只是缺少通帶增益 Avp 這一項(xiàng)。 簡單二階低通有源濾波器 為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC 低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器 的濾波效果更好。二階 LPF 的 電路圖如圖 所示，幅頻特性曲線如圖 所示。 12 圖 二階 LPF 圖 二階 LPF 的 幅頻特性曲線 通帶增益 當(dāng) f = 0 時(shí)，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益為 二階低通有源濾波器傳遞函數(shù) 根據(jù)圖 可以寫出 ， 通常有 ，聯(lián)立求解以上三式，可得濾波器的傳遞函數(shù) 通帶截止頻率 13 將 s 換成 jω，令 可得 當(dāng) 時(shí)，上式分母的模 解得截止頻率： 與理想的二階波特圖相比 ，在超過 以后，幅頻特性以 ?40 dB/dec 的速率下降，比一階的下降快。但在通帶截止頻率 之間幅頻特性下降的還不夠快。 二階壓控型低通有源濾波器 二階壓控型 LPF 二階壓控型低通有源濾波器如圖 所示。其中的一個(gè)電容器 C1 原來是接地的，現(xiàn)在改接到輸出端。顯然， C1 的改接不影響通帶增益。 圖 二階壓控型 LPF 圖 二階壓控型 LPF 的幅頻特性 14 二階壓控型 LPF 的傳遞函數(shù) 對(duì)于節(jié)點(diǎn) N，可以列出下列方程 聯(lián)立求解以上三式，可得 LPF的傳遞函數(shù) 上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于 3，才能保障電路穩(wěn)定工作。 頻率響應(yīng) 由傳遞函數(shù)可以寫出頻率響應(yīng)的表達(dá)式 當(dāng) 時(shí)，上式可以化簡為 定義有源濾波 器的品質(zhì)因數(shù) Q 值為 時(shí)的電壓放大倍數(shù)的模與通帶增益之比 以上兩式表明，當(dāng) 時(shí)， Q1，在 處的電壓增益將大于 ，幅頻特性在 處將抬高，具體請(qǐng)參閱圖 。當(dāng) ≥ 3 時(shí)， Q=∞，有 15 源濾波器自激。由于將 接到輸出端，等于在高頻端給 LPF 加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。 二階反相型低通有源濾波器 二階反相型 LPF 如圖 所示，它是在反相比例積分器的輸入端再加一節(jié)RC 低通電路而構(gòu)成。二階反相型 LPF 的改進(jìn)電路如圖 所示。 圖 反相型二階 LPF 圖 多路反饋反相型二階 LPF 由圖 可知 對(duì)于節(jié)點(diǎn) N，可以列出下列方程： 傳遞函數(shù)為： 16 頻率響應(yīng)為 ： 以上各式中 ， ， 若 R1=R2=Rf=R, C1=C2=C， 則 Avp = 1， f0=1/(2πRC) ，Q=1/(3AvP)=1/3 17 第四章 UA741 概述 741 是由兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)置頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器組成的集成電路。它專為獲得電壓范圍、單電源供電的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。也可以雙電源供電：因?yàn)殡娫措娏飨牡?，可以不依賴于電源電壓的大小? 主要應(yīng)用在換能放大器、直流增益模塊和使用通用運(yùn)算 放大器的電路。例如，它能直接使用數(shù)字系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) +5V 電源電壓，將容易達(dá)到所需要的功能而無需額外的正負(fù) 15V 電源電壓支持。 UA741 的功能框圖： 18 圖 21 ua741 管角排列圖 UA741 的特點(diǎn) 管腳圖及工作參數(shù)：集成運(yùn)算放大器 μA741 的管腳圖見 上 圖所示。其主要極限參數(shù) ( 最大額定值 ) 如下。 最大電源電壓： 177。 18V 最大差分電壓 ( 同相端與反向端之間的輸入電壓 ): 177。 30V 最大輸入電壓 : 177。 15V 允許工作溫度 :0 ℃ ~+70 ℃ 允許功耗 :IIIW 最大輸出電壓 : 比電源電壓略低 例 : 當(dāng)電源電壓提供士 12V 時(shí) , 開環(huán)時(shí)最大輸出電壓約為士 10V 19 引出段序號(hào) 符號(hào) 功能 1 Offset null 1 調(diào)零 2 IN 反相輸入 3 IN + 同相輸入 4 VCC 電源負(fù) 5 Offset null 2 調(diào)零 6 OUT 輸出 7 VCC+ 電源正 8 . 第五章 低通有源濾波器設(shè)計(jì)要求和過程 設(shè)計(jì)要求： 截止頻率 fc=3kHz。 增益 Av=1。 阻帶衰減速率大于 40dB/10 倍頻程； 調(diào)整并記錄濾波器的性 能參數(shù)及幅頻特性。 低通濾波電路總體設(shè)計(jì)方案論證 設(shè)計(jì)截止頻率為 fc=3kHz，查找教材圖標(biāo)知 C=。 K=100/f*c=1。 20 A=1， K=1 時(shí) ,查找教材圖表知： R1=, R2=, R3 開路， R4=0, C1=。 由于 K=1，所以電路中所用電阻值與上面列表中的相同，電容 C1=, C=。 元器件選擇 交流電源 1， uA741 型運(yùn)算放大器 1，普通電阻 2， 電容1 和 電容 1， 15V 直流穩(wěn)壓電源 2，導(dǎo)線若干。 備注：低通濾波器可以用 741 運(yùn)放、電容和電阻來實(shí)現(xiàn)。采用了一個(gè) LM358雙運(yùn)放芯片，里面包含有 2 個(gè) 741 運(yùn)放。前一級(jí)的運(yùn)放是實(shí)現(xiàn)低通濾波器的功能，后級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波后信號(hào)的放大作用 第六章 .硬件制作電路以及調(diào)試的總結(jié) 設(shè)計(jì)壓控有源低通濾波器并仿真 設(shè)計(jì)條件： fc=3kHz 圖 13EWB 方針電路圖 21 在 3KHZ 處衰減如圖所示 圖 14EWB 幅頻特性仿真 當(dāng)信號(hào)源的輸入為 200HZ,1V 時(shí) : 圖 15 仿真輸入信號(hào)值 輸出波形和輸入 (紅色 )波形為 : 22