【正文】 ?????????????????)]3(4)3([2)]3(4)3([20200202001ffpffpAAffAAff )2()3(0012 fFfpp RRfAffBW ?????? 可見(jiàn)，改變 電阻 FR 或 fR 就可以改變通帶寬度，但并不影響中心頻率。 （ 4）品質(zhì)因數(shù) Q BPF 的 Q 值是中心頻率與通帶寬度之比，為： fAQ 031?? 電路和幅頻特性曲線如圖 89 所示，不同 Q 值將使幅頻特性具有不同的特點(diǎn)， Q 值越大，通帶寬度越窄，選擇性也越好。 42 圖 89 二階帶通濾波器幅頻特性 帶阻濾波電路 如圖 810 所示電路就是典型的單端正反饋型二階帶阻濾波電路。當(dāng) RRR ?? 21 ，CCC ?? 21 ， RCf 12 00 ?? ?? 時(shí)，主要電路性能如下： 圖 810 二階帶阻濾波器電路 （ 1）通帶電壓放大倍數(shù) fFRRA ??10 （ 2）傳遞函數(shù) ? ?022)()2(21 1)( As CRs CRA s CRsA o ???? ?? （ 3）中心頻率 43 RCf ?2 10 ? （ 4）通帶截止頻率和阻帶寬度 ???????????????0020200201)]2(1)2([)]2(1)2([fAAffAAfpp 0012 )2(2 fAffBW pp ???? （ 5）品質(zhì)因數(shù) Q Q 值是中心頻率與阻帶寬度之比，為 )2(2 1 0AQ ?? 電路的幅頻特性曲線如圖 811 所示。 圖 811 二階帶阻濾波器幅頻特性 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 低通濾波器 （ 1） 自行設(shè)計(jì)一低通濾波器，截止頻率 kHzf 20 ? ， ,?Q 0ff ?? 處的衰減速率不低于10/30dB 倍頻。 44 電路設(shè)計(jì)： 首先，因?yàn)橐?0ff ?? 處的衰減速 率 中高級(jí)不低于 10/30dB 倍頻。確定濾波器的階數(shù)為 2；然后根據(jù) 0f 的值選擇電容 C 的值，一般來(lái)講，濾波器中電容的容量要小于 F?1 ，電阻的值至少要求 ?k 級(jí)。假設(shè)取 ?C ?F，則根據(jù)RCf ?2 10 ? 即 HzRf 1 60 ???? ?? 可求得 ??7958R 最后再根據(jù) Q 值求 fR 和 FR ，因?yàn)??Q ，即 3 1 0 ??A， ?A 又因?yàn)榧蛇\(yùn)放要求兩個(gè)輸入 端的外接電阻對(duì)稱(chēng)，可得 ??????????RRRRRRRfFfF2// 可得 ： ?? kRf ， ?? kRF 。 （ 2）根據(jù)設(shè)計(jì)元件值，在 Electronics WorkBench 中畫(huà)出電路， （ 3）選擇 Analysis 菜單下 AC Frequency Analysis 的菜單項(xiàng)，彈出如圖 813 所示窗口。將 Start frequency 設(shè)為 1Hz， End frequency 設(shè)為 10kHz,Sweep type 設(shè)為 Decade（即幅頻特性的橫坐標(biāo)是對(duì)數(shù)坐標(biāo)）， Number of points 設(shè)為 1000（即電路仿真時(shí)每 10 倍頻取 1000 個(gè)采樣點(diǎn)）， Vertical scale 設(shè)為 Decibel（即幅頻特性的縱坐標(biāo)是 dB），將電路輸出端的節(jié)點(diǎn)號(hào)加到 45 圖 813 AC Frequency Analysis 參數(shù)設(shè)置窗口 Node for analysis 中。點(diǎn) 擊 Simulate 按鈕進(jìn)行頻率特性分析。 （ 4）從分 析 所得的幅頻特性曲線中找出截止頻率，檢查是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，若不滿足要求，調(diào)整元器件的值，直到滿足要求為止。 從游標(biāo)的讀數(shù)可以讀出，在衰減－ 3dB 處所對(duì)應(yīng)的頻率約為 2KHz，設(shè)計(jì)滿足要求。 （ 5）在幅頻特性曲線上讀出 4kHz 和 8kHz所對(duì)應(yīng)的 分貝數(shù)，檢查是否滿足 0ff ?? 處的衰減 46 速率不低于 30 dB/10 倍頻的要求。 4kHz —— 8kHz —— 可計(jì)算出，衰減速率約為 30dB。 （ 6）將電路中的 1C 由輸出端改為接地，重復(fù)前面的分析，比較兩者的區(qū)別，并進(jìn)行分析討論。 從分析可知，當(dāng) 1C 由輸出端改為接地 后，截止頻率 Hzf 7440 ? ，符合公式 RCfp ?2 ? ，且簡(jiǎn)單二階 LPF 雖然在 0ff ?? 時(shí)其幅頻特性的衰減斜率較大 （ 4KHz 時(shí)為 17dB， 8KHz 時(shí)為26dB，衰減速率 40dB/10倍頻） ，但在 0f 附近的幅頻特性和理想的 LPF特性差別較大，即在0ff ? 附近，幅頻特性曲線已經(jīng)開(kāi)始下降，而在 0f 處它的下降斜率還不夠大。 （ 7）觀察 Q 值變化對(duì)幅頻特性的影響，將反饋電阻改為 FF RR 2?? ，重復(fù)前面的分析，描下波形，觀察兩者的區(qū)別，并進(jìn)行分析討論。 A、簡(jiǎn)單低通濾波器 47 B、 單端正反饋型二階低通濾波器 48 （ 8）觀察 R、 C 值變化的影響，改變 1R 、 2R 的電阻值使 ??RR，測(cè)量 0f 的變化是否符合RRff ???00。 將 ??7958R 改變?yōu)???7158R 后的幅頻特性圖如下。 可以看出，截止頻率 0f 變?yōu)?， 符合RRff ???00。 高通濾波器 （ 1） 設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器，要求 Hzf 5000 ? ，且 ff ? 的幅度衰減不低于 12dB。 設(shè)計(jì)電路： 首先 確定濾波器的階數(shù)為 2；然后根據(jù) 0f 的值選擇電容 C 的值，一般來(lái)講，濾波器中電容的容量要小于 F?1 ，電阻的值至少要求 ?k 級(jí)。假設(shè)取 ?C ?F，則根據(jù) RCf ?2 10 ? 即 HzRf 1 60 ???? ?? 可求得 ?? 1853R 49 最后再根據(jù) Q 值求 fR 和 FR ，因?yàn)??Q ，即 3 1 0 ??A， ?A 又因?yàn)榧蛇\(yùn)放要求兩個(gè)輸入 端的外接電阻對(duì)稱(chēng)，可得 ??????????RRRRRRRfFfF2// 可得 ： ?? kRf ， ?? kRF 10 。 （ 2）幅頻特性分析 50 截止頻率 Hzf 5000 ? ，當(dāng) ff ? 時(shí)，幅度衰減為 ，電路符合要求。 （ 3）將 反饋電阻改為 FF RR 2?? ，高通濾波器的幅頻特性如下： 51 帶通濾波器 （ 1）按圖 88 的電路圖所示，在 Electronics WorkBench 中畫(huà)出帶通濾波器電路。 （ 2）測(cè)量其頻率特性曲線，定出中心頻率、上限頻率、下限頻率、帶寬和 Q值，并和理論值相比較。 52 理論計(jì)算： 中心頻率 k H zRCf 12 1630 ???????? ??? 下限頻率 Hzf p 9831 ? 上限頻率 kHzf p ? 帶寬 kHzBW ? Q 值 1?Q 測(cè)量值： 中心頻率 kHzf ? 下限頻率 Hzf p 8701 ? 上限頻率 kHzf p ? 帶寬 kHzBW ? Q 值 ??? BWf fQ 53 （ 3）將 RF值改為 43k?、 51k?，分別 測(cè)量其帶寬變化情況。 當(dāng) RF = 43k?時(shí)，帶寬為 ；當(dāng) RF = 51k?時(shí)，帶寬為 。 二階帶阻濾波器 理論計(jì)算： 中心頻率 HzRCf 12 1630 ???????? ??? 下限頻率 Hzf p 4811 ? 上限頻率 Hzf p 12592 ? 帶寬 HzBW 778? Q 值 1?Q 測(cè)量值： 中心頻率 kHzf 7720 ? 下限頻率 Hzf p 4681 ? 上限頻率 kHzf p ? 帶寬 HzBW 772? 54 Q 值 10 ??BWffQ 四 、思考題 （ 1）試分析集成運(yùn)放有限的輸入阻抗對(duì)濾波器性能是否有影響？ 答：集成運(yùn)放 有限的輸入阻抗對(duì)濾波器性能 基本上不產(chǎn)生影響。 （ 2） BEF 和 BPF 是否像 LPF 一樣具有對(duì)偶關(guān)系？若將 BPF 中起濾波作用的電阻與電容的位置互換，能得到 BEF 嗎？ 答： BEF 和 BPF不具有對(duì)偶關(guān)系，將 BPF 中起濾波作用的電阻與電容的位置互換， 不 能得到BEF。 （ 3）傳感器加到精密放大電路的信號(hào)頻率范圍是 400Hz177。 10Hz，經(jīng)放大后發(fā)現(xiàn)輸出波形含有一定程度的噪聲和 50Hz 的干擾。試問(wèn)：應(yīng)引入 什么形式的濾波電路以改善信噪比，并畫(huà)出相應(yīng)的電路原理圖。 答：根據(jù)信號(hào)頻率和干擾噪聲的頻率范圍，為改善信噪比應(yīng)引用帶通濾波器，電路原理圖如下，其中心頻率 HzRCf 12 1630 ???????? ???。 55 實(shí)驗(yàn)九 集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（四） —— 電壓比較器的研究 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 研究電壓比較器的輸入、輸出波形及電壓傳輸特的觀測(cè)方法。 學(xué)習(xí)應(yīng)用電壓比較器構(gòu)成的方波 —— 三角波產(chǎn)生電路。 二、實(shí)驗(yàn)原理： 電壓比較器是一種能進(jìn)行電壓幅度比較和幅度鑒別的電路，當(dāng)它的 輸入電壓變化經(jīng)過(guò)某一個(gè)或二個(gè)比較電平時(shí)，其輸出電壓將發(fā)生由一個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的突變。因此，輸出電壓狀態(tài)可標(biāo)志其輸入電壓是否經(jīng)過(guò)比較電平。 圖 過(guò)零比較器 圖 遲滯比較器 輸出電壓的兩種狀態(tài)分別稱(chēng)：輸出高電平 (UOH)和輸出低電平 (UOL)。電壓比較器有二個(gè)輸入端，一般情況下一個(gè)輸入端輸入被比較的模擬信號(hào) Ui，另一個(gè)輸入端加的是比較電平 UR。 過(guò)零比較 器如圖 ，由于其比較電壓等于零，即將參考電壓的端點(diǎn)接地 (U+=0)，當(dāng)Ui 信號(hào)的變化經(jīng)過(guò)零時(shí)， (即 U=0)輸出電壓從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平。因此，稱(chēng)過(guò)零比較器。 遲滯比較器如圖 。電路中 R2 與 R?構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)， R2數(shù)值越大， R?越小正反饋越強(qiáng)。由于正反饋存在，比較電壓不僅取決于 UR，而是由 UR和 UO共同形成比較電壓 UP： U RR R U RR R UP R O? ? ? ?32 3 22 3 故輸出電壓 UO 的兩個(gè)可能值為： ? ?U U U UO P Z D? ? ? 式中 UZ 為一個(gè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值， UD為另一穩(wěn)壓管的正向壓降。故 ? ?U U RR U UO R f Z D? ? ????????? ?1 2 可見(jiàn)遲滯比較器有二個(gè)輸出電壓和二個(gè)比較電壓。 56 二個(gè)輸出電壓： ? ?U U RR U UOH R f Z D? ? ????????? ?1 2 ? ?U U RR U UOL R f Z D? ? ????????? ?1 2 二個(gè)比較電壓： ? ?U U RR U UHT R f Z D? ? ?2 ? ?U U RR U ULT R f Z D? ? ?2 式中 UHT 稱(chēng)上比較電壓， ULT 稱(chēng)下比較電壓。二個(gè)比較 電壓之差稱(chēng)遲滯電壓，用 UH 表示，UH=UHTULT。 三、電路與器材： 圖 過(guò)零比較器電路 圖 遲滯比較器電路 圖 方波 — 三角波產(chǎn)生電路 實(shí)驗(yàn)電路板 1 塊； MF— 10F 萬(wàn)用表 1 只； YJ— 44 型直穩(wěn)電源 1 臺(tái)； XD1B 型信號(hào)發(fā)生器 1 臺(tái)； SS5702 雙蹤示波器 1 臺(tái)。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 57 將過(guò)零比較器 電路安裝在實(shí)驗(yàn)板上，接通177。 12V 電源，將 Ui=3V， ?=1KHz 的正弦信號(hào)接入輸入端，用示波器同時(shí)觀測(cè) Ui和 UO的波形，繪制幅值相位關(guān)系圖。 將電路改接成遲滯比較電路，保持 Ui=3V， ?=1KHz 正弦信號(hào)接入輸入端不變。分別取UR=+1V和 ，同時(shí)測(cè)量 Ui和 UO 的波形。觀察 UHT 和 ULT 的數(shù)值。繪制輸入、輸出幅值、相位，比較電壓的關(guān)系圖。 VUVU VUVUVU LTHT RLTHT , )1(1, ??? ????計(jì)算值：測(cè)量值： ui(V)